PL239889B1

PL239889B1 - Linear rotary damper with dilatancy characteristics

Info

Publication number: PL239889B1
Application number: PL428426A
Authority: PL
Inventors: Robert Konowrocki; Dominik Pisarski
Original assignee: Inst Podstawowych Problemow Techniki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2022-01-24
Also published as: PL428426A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest linowy tłumik z obrotowym wirnikiem (B) wykorzystującym ścinające oddziaływanie łopat (M) wirnika z płynem dylatancyjnym. Tłumik ten stanowi obudowa (A), w której wnętrzu znajduje się mechanizm zamiany ruchu liniowego na ruch rotacyjny (F i D), którego wynikiem jest wzrost skuteczności ścinającego oddziaływania łopat wirnika z płynem nienewtonowskim, o charakterystyce dylatancyjnej.The subject of the application is a linear damper with a rotating rotor (B) utilizing the shearing action of the rotor blades (M) with a dilatant fluid. This damper comprises a housing (A) containing a mechanism for converting linear motion into rotational motion (F and D), which results in increased effectiveness of the shearing action of the rotor blades with a non-Newtonian fluid exhibiting dilatant characteristics.

Description

PL 239 889 B1PL 239 889 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest tłumik liniowy, w którym siła tłumiąca o kierunku przeciwnym do kierunku prędkości ruchu postępowego jego trzpienia jest wynikiem oddziaływania ścinającego łopat wirnika rotującego w płynie dylatancyjnym.The subject of the invention is a linear damper, in which the damping force opposite to the speed direction of the translational movement of its mandrel is the result of the shear action of the rotor blades rotating in the expansion fluid.

Stan techniki obejmuje wiele typów tłumików, absorberów i amortyzatorów liniowych lub rotacyjnych, działających w trybie pasywnym lub aktywnym. Występują również przypadki tłumików liniowych wykorzystujących do dyssypacji energii zamianę ruchu posuwistego na rotacyjny. Czynnikami roboczymi w tych rozwiązaniach mogą być: układy rozpraszania energii kinetycznej przez kinematykę bezwładności ich elementów, oddziaływanie elektromagnetyczne, gazy, ciecze o własnościach newtonowskich lub nienewtonowskich oraz ich rozmaite kombinacje. Tłumiki stosuje się do eliminacji drgań, w szczególności do zabezpieczania urządzeń narażonych na obciążenia udarowe lub harmoniczne. Charakterystyki tłumików cechują zwykle przebiegi dopasowane do danego typu ich zastosowania. Cecha ta nie zawsze pozwala jednak na kompleksową eliminację szkodliwego oddziaływania, zwłaszcza wtedy, gdy zakres oddziaływania ulega zmianie lub bazujący na działaniu tłumików układ sterowania ulegnie awarii.The prior art includes many types of linear or rotary dampers, absorbers and dampers operating in either passive or active mode. There are also cases of linear dampers that use the conversion of sliding into rotary motion to dissipate energy. The working factors in these solutions may be: systems of kinetic energy dissipation through the kinematics of inertia of their elements, electromagnetic interaction, gases, liquids with Newtonian or non-Newtonian properties, and their various combinations. Dampers are used to eliminate vibrations, in particular to protect devices exposed to shock loads or harmonics. The characteristics of silencers are usually characterized by waveforms adjusted to a given type of their application. However, this feature does not always allow for comprehensive elimination of the harmful effect, especially when the scope of the impact changes or the control system based on the operation of the dampers fails.

Znany jest z polskiego opisu zgłoszeniowego nr PL228676 tłumik bezwładnościowy, który w celu rozproszenia energii wykorzystuje zamianę ruchu liniowego na ruch obrotowy z oddziaływaniem elektromagnetycznym. W rozwiązaniu tym energię wymuszenia absorbuje trzpień tłumika, umieszczony w ramie i wyposażony w tuleję o śrubowej powierzchni zewnętrznej, z gwintem niesamohamownym. Wewnątrz tłumika znajdują się trzy oddziałujące ze sobą przez połączenia śrubowe o przeciwnych liniach śrubowych. Jeden z pierścieni wyposażony jest dodatkowo w rozsuwalne, osadzone na ramionach ciężarki, które regulują moment bezwładności wirującej masy. Pomiędzy ww. pierścieniami znajdują się kanaliki wypełnione cieczą magnetoreologiczną, na zewnątrz których umieszczone są elektromagnesy. Pomiędzy powierzchniami łączącymi tuleję z pierwszym pierścieniem oraz między powierzchniami łączącymi pozostałe pierścienie znajdują się piezo-blokery. Piezo-blokery oraz elektromagnesy połączone są ze sterownikiem, który za pośrednictwem czujnika przemieszczenia otrzymuje informację o pozycji trzpienia. W trakcie pracy tłumika mierzona jest zmiana przemieszczenia i na jej podstawie generowane są sygnały sterujące elektromagnesami i piezo-blokerami.An inertial damper is known from the Polish application no. PL228676, which uses the conversion of linear motion into rotary motion with electromagnetic interaction to dissipate energy. In this solution, the input energy is absorbed by the damper pin, placed in the frame and equipped with a sleeve with a helical outer surface, with a steep thread. Inside the silencer there are three interacting with each other through screw connections with opposite screw lines. One of the rings is additionally equipped with extendable weights mounted on the arms, which regulate the moment of inertia of the rotating mass. Between the above-mentioned the rings contain channels filled with magnetorheological fluid, on the outside of which electromagnets are placed. Piezo-blockers are provided between the surfaces joining the sleeve to the first ring and between the surfaces joining the remaining rings. Piezo-blockers and electromagnets are connected to a controller which receives information about the position of the pin via a displacement sensor. During the operation of the damper, the change in displacement is measured and on its basis, signals controlling electromagnets and piezo-blockers are generated.

Inny polski opis patentowy o numerze PL230102 opisuje tłumik rotacyjny. Budowa tego tłumika charakteryzuje się tym, że w jego cylindrycznej obudowie znajduje się jedna lub dwie utwierdzone szczelnie tarczowe nakrętki, w których wkręcona jest śruba z gwintem niesamohamownym. Na jednym końcu każdej ze śrub, znajdującej się wewnątrz obudowy, zamocowany jest wirnik z łopatkami. Drugi koniec śrub, skierowany na zewnątrz, łożyskowany jest w płycie, która jest przesuwna względem obudowy. W przypadku rozwiązania z dwoma wirnikami występują dwa rodzaje łopatek. Łopatki wirników rozmieszczone są obwodowo i ustawione osiowo. Łopatki pierwszego wirnika rozstawione są na mniejszej średnicy aniżeli łopatki wirnika drugiego, co pozwala na ich wzajemne nakładanie na siebie. W przestrzeni pomiędzy nakrętkami znajduje się materiał sypki lub lepka ciecz.Another Polish patent description with the number PL230102 describes a rotary damper. The structure of this silencer is characterized by the fact that in its cylindrical housing there are one or two tightly fixed disc nuts in which a screw with a steep thread is screwed in. An impeller with blades is mounted at one end of each bolt inside the housing. The other end of the bolts, facing outwards, is mounted in a plate that is sliding relative to the housing. There are two types of blades for the twin rotor solution. The rotor blades are arranged circumferentially and axially positioned. The blades of the first rotor are spaced smaller in diameter than the blades of the second rotor, which allows them to overlap each other. There is loose material or a viscous liquid in the space between the nuts.

Europejski opis patentowy o numerze EP 1510721 B1 opisuje amortyzator oparty na mechanizmie śrubowym z nakrętką kulkową, przekształcającym ruch teleskopowy na ruch obrotowy, używany do napędu silnika. W wyniku ruchu obrotowego w silniku powstaje siła elektromagnetyczna stawiająca opór, wykorzystywany do tłumienia drgań.EP 1510721 B1 describes a shock absorber based on a ball screw mechanism converting telescopic motion into rotary motion used to drive the engine. As a result of the rotation in the motor, an electromagnetic force is created in the motor to resist and used to dampen vibrations.

Z amerykańskiego opisu patentowego numer US 5449054 znany jest tłumik rotacyjny, który posiada komorę wypełnioną cieczą, w której umieszczony jest obrotowo wirnik z elastycznymi łopatkami, zorientowanymi pod kątem ostrym w stosunku do osi wirnika.From the US patent specification US 5,449,054 a rotary damper is known, which has a liquid-filled chamber in which a rotor is rotatable with flexible blades oriented at an acute angle in relation to the rotor axis.

Istnieje rozwiązanie, które zostało zaprezentowane w amerykańskim opisie patentowym o numerze US 20090159382. Rozwiązanie to dotyczy tłumika obrotowego, na który składają się: obudowa, stojan i wirnik. Stojan i wirnik służą do rozpraszania energii ruchu obrotowego. Wirnik tłumika zlokalizowany jest w przestrzeni wypełnionej lepkosprężystym płynem lub cieczą magnetoreologiczną. Łopatki wirnika ustawione są równomiernie oraz promieniowo do jego osi tworząc ze stojanem i obudową komory. W ścianach tych komór wyżłobione są kanały o różnych kształtach, które pozwalają na przepływ cieczy roboczej między komorami. Ponadto tłumik zawiera stożkowe łożysko zbudowane z elastomeru i umiejscowione pomiędzy stojanem i wirnikiem. Łożysko to pełni rolę uszczelnienia dynamicznego oraz prowadnicy. Obudowa wyposażona jest w radiatory, które odprowadzają ciepło płynu na zewnątrz tłumika. W warunkach niskich temperatur elementy grzewcze zainstalowane na zewnątrz lub we wnętrzuThere is a solution that was presented in the US patent specification No. US 20090159382. This solution relates to a rotary damper which consists of a housing, a stator and a rotor. The stator and rotor are used to dissipate the energy of the rotational motion. The damper rotor is located in a space filled with a viscoelastic fluid or a magnetorheological fluid. The rotor blades are set evenly and radially to its axis, forming with the stator and the chamber housing. In the walls of these chambers, channels of various shapes are carved, which allow the working fluid to flow between the chambers. Furthermore, the damper comprises a conical bearing made of elastomer and located between the stator and the rotor. This bearing acts as a dynamic seal and a guide. The casing is equipped with heat sinks that dissipate the fluid heat to the outside of the muffler. Heating elements installed outdoors or indoors in low temperature conditions

PL 239 889 B1 komory tłumiącej podgrzewają płyn, redukując czas rozruchu amortyzatora. Obudowa wyposażona jest w system monitorowania ciśnienia, który określa aktualną charakterystykę tłumienia podczas pracy.The damping chamber heat the fluid, reducing the shock absorber starting time. The housing is equipped with a pressure monitoring system that determines the actual damping characteristics during operation.

Inny polski opis patentowy o numerze PL214845 przedstawia sposób dyssypacji energii kinetycznej obiektu będącego w ruchu przy użyciu pneumatycznego absorbera aktywnego. W dwukomorowej przestrzeni tłumika zamontowane są dwa czujniki ciśnienia, z których jeden podłączony jest do komory podtłokowej, a drugi do komory nadtłokowej. W tłoczysku zamocowany jest zawór elektryczny, czujnik siły kontaktowej oraz czujnik przyśpieszenia. Tłumienie energii realizowane jest dzięki zaworowi elektrycznemu, który steruje przepływem gazu między komorami. Czujniki ciśnienia, przyspieszenia, siły kontaktowej oraz prędkości połączone są z wejściami bloku sterującego, natomiast wyjście bloku sterującego połączone jest ze sterownikiem zaworu elektrycznego. Charakterystyczną cechą rozwiązania jest to, że przed uderzeniem oraz w jego początkowej fazie dokonuje się identyfikacji położenia i prędkości uderzającego obiektu. Czujnik przyśpieszenia umieszczony na uderzanym obiekcie dostarcza sygnał, który poprzez całkowanie równań ruchu, pozwala ustalić masę i prędkość uderzającego obiektu. Zgromadzone informacje pozwalają na optymalną realizację procesu dyssypacji energii.Another Polish patent specification no. PL214845 describes a method of dissipating the kinetic energy of an object in motion using a pneumatic active absorber. Two pressure sensors are installed in the two-chamber space of the silencer, one of which is connected to the piston chamber and the other to the piston chamber. An electric valve, a contact force sensor and an acceleration sensor are mounted in the piston rod. Energy damping is achieved by an electric valve that controls the gas flow between the chambers. Pressure, acceleration, contact force and speed sensors are connected to the control block inputs, while the control block output is connected to the electric valve driver. A characteristic feature of the solution is that, before the impact and in its initial phase, the position and velocity of the hitting object are identified. The acceleration sensor placed on the struck object provides a signal which, by integrating the equations of motion, allows to determine the mass and velocity of the striking object. The collected information allows for the optimal implementation of the energy dissipation process.

Z polskiego opisu zgłoszeniowego o numerze P-329416 znany jest amortyzator hydrauliczny z możliwością kształtowania charakterystyki tłumienia i sztywności przy wykorzystaniu impulsów elektrycznych. Amortyzator składa się z dwóch cylindrów, gdzie w wewnętrznym cylindrze umieszczony jest tłok dzielący objętość tego cylindra na dwie komory połączone izolowaną przestrzenią zewnętrznego cylindra. Pomiędzy komorami umieszczony jest sterowany elektrycznie zawór. Sterowanie odbywa się za pośrednictwem układu elektronicznego wyposażonego w czujniki przeciążeń. Rozwiązanie jest przykładem absorbera aktywnego, który wymaga zaawansowanego systemu sterowania.From the Polish application description number P-329416 there is known a hydraulic shock absorber with the possibility of shaping the damping and stiffness characteristics with the use of electric impulses. The shock absorber consists of two cylinders with a piston in the inner cylinder dividing the cylinder's volume into two chambers connected by an insulated space of the outer cylinder. An electrically operated valve is placed between the chambers. The control is via an electronic system equipped with overload sensors. The solution is an example of an active absorber that requires an advanced control system.

Z amerykańskiego opisu zgłoszeniowego o numerze US 3442501A znane jest zastosowanie własności nienewtonowskiej cieczy do autoregulacji przepływu cieczy roboczej przez otwór w tłoczysku amortyzatora wykonującego ruch liniowy. Amortyzator wyposażony jest w komorę zawierającą płyn roboczy. Komora wyposażona jest w cylindryczną ściankę boczną zamkniętą na górnym i dolnym końcu przez nagwintowane pokrywy łączące się z obudową cylindryczną za pośrednictwem tych gwintów. Komora zawiera zespół roboczy, tj. tłoczysko i tłok. Tłok posiada gwintowany otwór do mocowania tłoczyska. Tłok ma przekrój cylindryczny. W tłoku znajduje się otwór, który umożliwia przepływ cieczy roboczej między komorami. Dzięki zastosowaniu cieczy nienewtonowskiej, której reakcja względem siły ścinającej zmienia się nieliniowo z natężeniem przepływu, uzyskano zmienną, progresywną charakterystykę amortyzatora. W tym przypadku ww. cecha pozwala uzyskać własność zmiennego efektu zwężki dławiącej przy stałej średnicy otworu w tłoku. Rozwiązanie znajduje zastosowanie w amortyzatorach wstrząsu, których zadaniem jest tłumienie sił udarowych o wysokich amplitudach. Znaczącym ograniczeniem rozwiązania jest brak możliwości uzyskania żądanych sił tłumiących w zakresie niskich prędkości przesuwu tłoczyska, co związane jest z silnie progresywną charakterystyką cieczy nienewtonowskiej przy kontakcie udarowym.It is known from the US application No. 3,442501A to use the property of a non-Newtonian fluid to autoregulate the flow of working fluid through the bore in the piston rod of a damper making a linear motion. The shock absorber is equipped with a chamber containing the working fluid. The chamber is provided with a cylindrical side wall closed at the upper and lower ends by threaded covers which connect to the cylindrical housing via these threads. The chamber includes an operating unit, i.e. a piston rod and a piston. The piston has a threaded hole for mounting the piston rod. The piston has a cylindrical cross-section. There is a hole in the piston that allows the working liquid to flow between the chambers. Due to the use of a non-Newtonian fluid, the reaction of which against the shear force changes non-linearly with the flow rate, a variable, progressive characteristic of the shock absorber was obtained. In this case, the above-mentioned the feature allows to obtain the property of a variable choke effect with a constant diameter of the hole in the piston. The solution is used in shock absorbers, the task of which is to dampen impact forces with high amplitudes. A significant limitation of the solution is the inability to obtain the desired damping forces in the range of low speeds of the piston rod displacement, which is related to the strongly progressive characteristic of the non-Newtonian fluid at the impact contact.

Z amerykańskiego opisu zgłoszeniowego o numerze US 20170284494 A1 znana jest metoda tłumienia drgań, która również wykorzystuje własności cieczy nienewtonowskich. Rozwiązanie to nie dotyczy bezpośrednio metody absorpcji energii zbliżonej do charakteru pracy tłumików linowych, lecz polega na wykorzystania płynu nienewtonowskiego do wyizolowania i ochrony obiektu w niej zanurzonego. Oparty o tę ideę amortyzator pochłania i rozprasza siłę uderzenia, z dala od przedmiotu, który ma być chroniony.From the US application description No. US 20170284494 A1 there is known a method of damping vibrations which also uses the properties of non-Newtonian liquids. This solution does not apply directly to the method of energy absorption similar to the nature of operation of line silencers, but consists in the use of a non-Newtonian fluid to isolate and protect the object immersed in it. Based on this idea, the shock absorber absorbs and disperses the force of the impact away from the object to be protected.

Istotą wynalazku jest tłumik liniowy zawierający obudowę o wewnętrznym przekroju, zamkniętą z jednej strony pierwszą pokrywą a z drugiej strony drugą pokrywą, w otworze której znajduje się ruchomy trzpień charakteryzujący się tym, że wewnętrzny przekrój obudowy wzdłuż długości obudowy posiada prowadzenie jarzma, do którego za pośrednictwem osi obrotowo zamocowany jest wirnik zlokalizowany w komorze roboczej wypełnionej płynem dylatancyjnym, przy czym wspomniany wirnik jest zintegrowany z kołem zębatym, którego zęby poprzez ruchome połączenie zębate łączą listę zębatą zamocowaną do obudowy z wirnikiem.The essence of the invention is a linear damper comprising a casing with an internal cross-section, closed on the one side with the first cover and on the other side with a second cover, in the opening of which there is a movable pin, characterized in that the internal cross-section of the casing along the casing length has a yoke guide, to which via the axis a rotor is rotatably mounted, located in a working chamber filled with an expansion fluid, said rotor being integrated with a toothed wheel, the teeth of which, through a movable toothed connection, connect the toothed list fixed to the housing with the rotor.

Korzystnie, prowadzenie jest ukształtowane rowkowo na całej długości obudowy.Preferably, the guide is grooved over the entire length of the housing.

Korzystnie, wirnik jest połączony z trzpieniem za pomocą jarzma.Preferably, the rotor is connected to the mandrel by a yoke.

Korzystnie, wirnik jest wyposażony w łopaty, które są rozłożone równomiernie na obwodzie zewnętrznym wirnika.Preferably, the rotor is provided with blades which are uniformly distributed over the outer circumference of the rotor.

Korzystnie, wirnik ma ażurową konstrukcję.Preferably, the rotor has an openwork structure.

Korzystnie, w komorze roboczej znajduje się przeponowa, poprzecznie umieszczona elastyczna membrana.Preferably, the working chamber is provided with a diaphragm flexible diaphragm located transversely.

Claims

PL 239 889 B1

The subject of the invention is shown in detail in an exemplary embodiment and shown in the drawing, in which Fig. 1 shows an axonometric view of the damper components, Figs. 2 and 3 show a longitudinal (Fig. 2) and transverse (Fig. 3) section of the damper in an assembled form, Fig. 4 shows the rotor in two views with the vanes marked and the gear. The graph presented in Fig. 5 shows the damping characteristics obtained during the experimental tests carried out on the prototype of the considered linear damper with a rotating rotor.

Due to the progressive, dilatant course of this characteristic, the damper can be used in a wide range of issues related to intelligent vibration damping of structures and machines, replacing complex semi-active control systems. In particular, the potential applications of the silencer include construction, transport and robotics structures, e.g. masts, slender buildings, bridges, viaducts, transport belts, active vehicle suspensions, active vibro-isolating layers, grippers and connectors for industrial robots.

An embodiment of the silencer is given only as a non-limiting indication of the invention and may not in any way limit the scope of protection defined by the claims.

A linear damper with a rotating rotor, using a non-Newtonian dilatant fluid as a working medium, includes a housing A with an L cross-section and rotatingly mounted on the J axis to the clamping yoke C with a rotor B, moving in the guide I made in the damper housing A. Rotor B, as a result of linear movement of the yoke C along the guide I, rotates in the working chamber N of the housing filled with dilatant fluid. The working chamber N is formed by the internal volume of the housing A, limited by two covers H and G, tightly attached to the housing A, and the volume of the auxiliary chamber E, which is a diaphragm, transversely placed flexible diaphragm O. The diaphragm O is axially deformable and acts as a volume regulator of the chamber working N. This volume changes as a result of the movement of the yoke C and the piston rod (i.e. the mandrel) K.

The rotation of the rotor B is caused by the change of the longitudinal movement of the yoke C as a result of the operation of the gear wheel F with a certain number of teeth, attached to the rotor B and the toothed rack D attached to the housing A. The gear ratio of the toothed connection is selected depending on the use of the damper. The blades M of the rotor B are shaped so that their side surfaces act on shear with the dilatant fluid filling the working chamber N. The shape, position and surface of the blades M are selected so as to facilitate the flow of the working fluid through the openwork structure of the rotor B, which allows the damper to work. in conditions of low displacement velocities of the piston rod.

The progressive damping characteristics (Fig. 5) in the proposed solution of the linear damper with a rotating rotor are achieved by the relative rotational movement of the rotor B in the dilatant fluid accumulated in the working chamber N. The dilatant fluid is characterized by the fact that its resistance increases strongly as the shear rate increases. This phenomenon is also known as shear compaction. As a result of the use of M blades in the rotor, the shear interaction area increases compared to the typical solution, which is the use of a piston in a classic linear damper. This is due to the fact that the working fluid is in contact with the entire surface of the blades M, on both sides of it. When the linear speed of the piston rod K increases, the angular velocity of the rotor also increases. typical for dilatant liquids - the phenomenon of sedimentation.

Patent claims

1. A linear silencer containing a housing (A) with an internal cross-section (L), closed on one side with a first cover (H) and on the other side with a second cover (G), in the opening of which there is a plunger (K), characterized in that the internal cross-section (L) of the casing (A) along the casing length (A) has a guide (I) of the yoke (C), to which the rotor (B) is rotatably attached through the axis (J), located in the working chamber (N) filled with expansion fluid, said rotor (B) being integral with a gear wheel (F), the teeth of which, through a movable gear connection, connect a rack (D) fixed to the housing (A) with the rotor (B).

2. Muffler according to claim 4. A method as claimed in claim 1, characterized in that the guide (I) is grooved over the entire length of the housing (A).

PL 239 889 B1 5

3. Muffler according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the rotor (B) is connected to the spindle (K) by a yoke (C).

4. Muffler according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the rotor (B) is provided with blades (M) which are uniformly distributed over the outer circumference of the rotor (B).

5. Muffler according to claim The method of claim 1, characterized in that the rotor (B) has an openwork structure.

6. Muffler according to claim A device as claimed in claim 1, characterized in that in the working chamber (N) there is a diaphragm flexible diaphragm (O) arranged transversely.