一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器

摘要

本发明提供了一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器，主要应用于建筑结构的耗能减震，属于结构振动控制技术领域。所述装置由阻尼器外壳、齿轮响应放大装置、上齿条杆、下齿条杆、摩擦片、齿条滑块、导向孔、齿轮装置固定孔、方形铁板。齿轮响应放大装置由齿轮装置固定孔固定，在上齿条杆和下齿条杆的带动下进行转动，从而带动齿条滑块和方形铁板与摩擦片发生相对运动，依靠阻尼器摩擦耗能特性实现耗能减震。同时，该装置通过齿轮响应放大装置对建筑物的相对位移进行放大，从而使耗能机构所接受的位移响应放大，提高阻尼器的耗能能力。本发明是一种新型减震耗能阻尼器，在抗震设防中具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器，属于结构振动控制技术领域。特别涉及一种建筑结构层间的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器装置。

背景技术

地震灾害能够导致建筑物发生严重的结构破坏甚至倒塌，造成巨大的经济损失。我国地震灾害频发，如何提高建筑结构的抗震性能已经成为我国土木工程领域的技术和科研人员关注的热点课题。

通过对建筑结构进行减震设计来实现抗震目标，是一种灵活、高效的工程抗震手段。而通过耗能减震装置耗散地震能量来实现减震的目的又是建筑结构减震设计的重要内容。在过去二十年中，耗能减震技术在世界范围内引起广泛关注，在理论研究和工程应用中取得了长足的进步。

其中在阻尼器的研发中，科研人员们也研制出各种各样的耗能减震阻尼器。但现有的大多数位移或速度相关型耗能减震装置在工作时的速度和位移与连接点的相对速度和位移相等，当连接点的相对速度和位移较小时，耗能减震装置就无法充分发挥其耗能能力，导致阻尼器在小震作用时的耗能效果很差。针对此问题，目前的耗能减震装置为了增加提供阻尼力的能力，往往采用增大阻尼器尺寸或增加阻尼器数量的方式来实现，这样做不仅效果并不理想，而且也造成了一定程度的浪费。

因此，如何提供一种具有位移响应放大能力的高效耗能减振装置、确保其在不同强度地震作用下均能发挥良好的减震效果，是本领域技术人员亟需解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明是提供一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器，其目的是将外荷载作用下所连接构件之间产生的相对较小变形根据需要进行放大，利用阻尼器的摩擦耗能特性实现高效耗能，使阻尼器可以在不同强度地震作用下都能发挥良好的耗能能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器，包括阻尼器外壳1、齿轮响应放大装置2、上齿条杆3、下齿条杆4、摩擦片5、齿条滑块6、导向孔 7、齿轮装置固定孔8、方形铁板9；

所述阻尼器外壳1由上顶板、下底板、左侧板、右侧板、前板及后板六个板构成，其中上顶板与下底板各设置方形凹槽，并分别将摩擦片5如黄铜片等嵌入凹槽中，其中左侧板及右侧板分别设置固定齿条杆的导向孔7，前板与后板分别设置固定齿轮响应放大装置2的齿轮装置固定孔8；所述方形铁板9的一面置于摩擦片5中间位置，且使之与摩擦片5紧密接触；所述方形铁板9的另一面与齿条滑块6无齿的一面相贴合，并通过焊接方式连接固定；所述齿轮响应放大装置2由一个小齿轮与两个同规格的大齿轮通过同轴连接构成，并使连接齿轮的同心轴的两端分别穿入前板与后板所设置的齿轮装置固定孔8中，使其固定并能够自由转动；所述齿轮响应放大装置2的两端大齿轮上下两端分别与各自对应的上顶板及下底板上的齿条滑块6齿接；所述上齿条杆3与齿轮响应放大装置2的小齿轮上端齿接，下齿条杆4与齿轮响应放大装置2的小齿轮下端齿接；所述上齿条杆3无齿的一部分杆通过左侧板的导向孔7伸出阻尼器外壳1外，下齿条杆4无齿的一部分通过右侧板的导向孔7伸出阻尼器外壳1外。

其中，所述齿轮响应放大装置2中的两个大齿轮形状、大小及材料均一样，且其中的大小齿轮通过一个杆轴进行串联，使大小齿轮可以实现同轴转动；所述齿轮装置固定孔8只限制齿轮响应放大装置2的平面运动而不限制其转动能力；所述导向孔7只限制齿条杆的除轴向运动外的平面运动能力，而不限制其沿齿条杆轴的轴向运动的能力；所述齿轮响应放大装置2可将位移响应放大R/r 倍R为大齿轮半径，r为小齿轮半径后传递到齿条滑块6，齿条滑块6带动方形铁板9运动，从而增加方形铁板9与摩擦片5之间相对位移量，提高耗能能力。

进一步，所述基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器可根据实际抗震设计需求进行各部件几何尺寸设计，如若在较大的地震情况下，假设地震使建筑结构产生的最大位移为L，传递到阻尼器耗能机构中的位移响应为R/rLR 为大齿轮半径，r为小齿轮半径，所以所设计的齿条滑块6的一端到其这一端的摩擦片5的边缘的距离至少为R/rL，齿条滑块6的长度也应不小于R/rL，也需要保证齿条杆的有效齿条长度不应小于L，齿条杆末端至其轴向运动方向的阻尼器外壳1内壁距离也不应小于L。如果抗震设计等级提高，抗震设计中要求的最大位移L增大，所提出耗能装置的各部分尺寸根据以上几何关系进行相应的增大。

其中阻尼器的作用机理是当连接点产生位移时，通过上齿条杆3与下齿条杆4的相对运动来带动齿轮放大装置2的小齿轮发生转动，进而带动齿轮放大装置2的大齿轮发生转动，大齿轮又带动齿条滑块6及方形铁板9产生运动，进而使方形铁板9与摩擦片5之间的相对位移放大，依据阻尼器摩擦耗能特型实现阻尼器的高效摩擦耗能。

本发明的有益效果：

1、本发明采用上下双齿条杆来传递连接点的位移，具有良好的位移响应传递能力，阻尼器在受拉和受压的情况下均可发挥良好的耗能能力。

2、本发明具备位移响应放大技术，利用齿轮响应放大装置对建筑结构在地震作用下的相对位移变形进行放大，进而使串联耗能材料的位移、速度等响应放大，保证了在中、小震作用下发挥良好的耗能能力；同时，在大震作用下，由于耗能材料的作用被放大，耗能效果增加，从而可以减少阻尼器的数量，减小工程成本，取得较好的经济效益。

3、本发明的耗能放大倍数可根据结构构件的实际情况进行调整，通过改变大小齿轮的半径比例，达到调节耗能效果的目的。

4、本发明的各结构的几何参数可根据结构构件的实际情况进行调整，通过调整齿条滑块的长度及其边缘到摩擦片边缘的距离，来保证阻尼器在各级地震的作用下都能发挥良好耗能能力。

5、本发明所用摩擦片的滞回曲线呈平滑的椭圆形，具备良好的空间变形能力和稳定耗能能力。

6、本发明构造明确、安全可靠、适用性强，取材方便、施工便捷、便于工厂化生产，通过合理的力学设计，拥有高效的耗能能力与结构性能，具有广阔的应用前景和推广市场。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器正面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器的A-A截面剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器的B-B截面剖视图；

图4为本发明实施例提供的一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器的齿轮响应放大装置示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器的安装位置示意图；

图中：1阻尼器外壳；2齿轮响应放大装置；3上齿条杆；4下齿条杆；5摩擦片；6齿条滑块；7导向孔；8齿轮装置固定孔；9方形铁板。

具体实施方式

为了更为直接、详细地说明本发明的目的、特征和优点，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整清晰地描述；需要说明的是，以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，本发明提供的一种基于齿轮传动的位移响应放大型摩擦耗能阻尼器的一个实施例，包括阻尼器外壳1、齿轮响应放大装置2、上齿条杆3、下齿条杆4、摩擦片5、齿条滑块6、导向孔7、齿轮装置固定孔8、方形铁板9；所述阻尼器外壳1由上顶板、下底板、左侧板、右侧板、前板及后板六个板构成，其中上顶板与下底板各设置方形凹槽，并分别将摩擦片5嵌入凹槽中，其中左侧板及右侧板分别设置固定齿条杆的导向孔7，前板与后板分别设置固定齿轮响应放大装置2的齿轮装置固定孔8；所述方形铁板9的一面置于摩擦片5中间位置，使之与摩擦片5紧密接触；所述方形铁板9的另一面与齿条滑块6无齿的一面相贴合，并通过焊接方式连接固定；所述齿轮响应放大装置2由一个小齿轮与两个同规格的大齿轮通过同轴连接构成，并使连接齿轮的同心轴的两端分别穿入前板与后板所设置的齿轮装置固定孔8中，使其固定并能够自由转动；所述齿轮响应放大装置2的两端大齿轮上下两端分别与各自对应的上顶板及下底板上的齿条滑块6齿接；所述上齿条杆3与齿轮响应放大装置2的小齿轮上端齿接，下齿条杆4与齿轮响应放大装置2的小齿轮下端齿接；所述上齿条杆3无齿的一部分杆通过左侧板的导向孔7伸出阻尼器外壳1外，下齿条杆4 无齿的一部分通过右侧板的导向孔7伸出阻尼器外壳1外。

其中，所述齿轮响应放大装置2中的两个大齿轮形状、大小及材料均一样，且其中的大小齿轮通过一个杆轴进行串联，使大小齿轮可以实现同轴转动；所述齿轮装置固定孔8只限制齿轮响应放大装置2的平面运动而不限制其转动能力；所述导向孔7只限制齿条杆的除轴向运动外的平面运动能力，而不限制其沿齿条杆轴的轴向运动的能力；所述齿轮响应放大装置2可将位移响应放大R/r 倍R为大齿轮半径，r为小齿轮半径后传递到齿条滑块6，齿条滑块6带动方形铁板9运动，从而增加方形铁板9与摩擦片5之间相对位移量，提高耗能能力。

其中，阻尼器的作用机理是当连接点产生位移时，通过上齿条杆3与下齿条杆4的相对运动来带动齿轮放大装置2的小齿轮发生转动，进而带动齿轮放大装置2的大齿轮发生转动，大齿轮又带动齿条滑块6及方形铁板9产生运动，进而使方形铁板9与摩擦片5产生相对位移，从而依靠摩擦耗能特性实现阻尼器的耗能能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；对本领域的普通技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。