CN106704474B - 高度集成化的自感式六轴锥形隔振器 - Google Patents

Abstract

一种高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，涉及半主动隔振器，包含上端框、上球铰座、上球铰、支腿构件、下球铰、下球铰座、和维形框。所述支腿构件集成了磁流变阻尼器、模具弹簧、拉压力传感器、位移传感器和加速度传感器。所述隔振器安装在基座和被隔振负载之间，当基座产生振动时，集成在隔振器中的传感器采集振动状态信号并将其反馈至控制器，控制器进行运算后控制通入磁流变阻尼器的电流大小，对磁流变阻尼器的阻尼出力大小进行实时调节，从而改善被隔振负载的振动环境，实现对被隔振负载进行隔振的目标。所述隔振器具有高度集成化、多自由度隔振、阻尼力可调、功耗低、自感反馈等特点，可广泛适用于航空航天、汽车、船舶等隔振应用领域。

Description

高度集成化的自感式六轴锥形隔振器

技术领域

本发明涉及隔振器，具体涉及一种高度集成化的自感式六轴锥形隔振器。

背景技术

隔振器是一种安装在基座与被隔振负载之间的一种隔振装置，通常含有刚度元件（弹簧）、阻尼元件（阻尼器）和作动器件（例如压电作动器），通过改变***的动力学特性来隔离从基座传递到被隔振负载的振动，从而改善被隔振负载的振动环境。

根据选用的作动器件的类型，隔振器可以分为三类：被动式隔振器、主动式隔振器、和半主动隔振器。然而，还可以将被动式和主动式隔振原理混合在一起，形成一种混合式隔振。被动式隔振器通常只包含弹簧和液压（或气动）阻尼器，这种隔振器结构简单，但由于不具有动态调节功能，不能很好地满足不同振动工况下的隔振要求。主动式隔振器是在被动式隔振器的基础上提出的，其结构形式相似，但会选用一种主动式作动器来替代被动的刚度-阻尼元件。主动式作动器，例如压电作动器，能够在不同的外界输入（例如电流）下输出大小、方向不同的主动力，即具有自适应调节功能，通过采集、反馈***的状态信号，并经过运算处理后发出指令来控制作动器。因此，主动隔振器往往能根据激励形式的不同来进行自我调节与控制，其隔振效果与适应性相对被动隔振器更好。

然而，主动隔振器往往需要提供非常庞大的能量供应来满足作动器的作动需求，通常消耗的电功率非常大，这种苛刻的要求在航空航天等特殊作业环境下是很难满足的，即使在汽车等通用领域也很难实现。因此，功耗过大往往限制了主动隔振器的适用范围。混合式隔振器将主动式隔振与被动式隔振结合起来，能够根据实际的工作情景进行相互切换，在一定程度上能够在保障隔振效果的基础上缓解功耗大的问题。但是，混合式隔振器的结构形式复杂、重量大，实际工作过程中的可靠度低，这些往往会限制其使用。

因此，近年来，一种新的隔振原理被提出并被广泛研究，即半主动隔振。半主动隔振，通常利用一种被动式可控元件（例如磁流变阻尼器），来动态调节***的刚度或阻尼特性，从而达到隔振目的。利用半主动隔振原理研制的隔振器具有可靠性高、结构简单、控制效果好、适用范围广等优良特点，因此，其被广泛应用于机械、土木、车辆、航空航天等隔振应用领域。

发明内容

为了克服背景技术中提到的问题，基于半主动隔振原理，并且结合磁流变阻尼器的实际使用要求，本发明提出一种结构紧凑的高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，其具有高度集成化、多自由度隔振、阻尼力动态可调、功耗低、自感反馈等特点，可广泛适用于航空航天、汽车、船舶等隔振应用领域。所提出的隔振器采用锥形结构，巧妙地集成了刚度元件（模具弹簧）、半主动作动器件（磁流变阻尼器）和自感反馈元器件（拉压力传感器、位移传感器和加速度传感器）。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，包括上端框、上球铰座、上球铰、支腿构件、下球铰、下球铰座以及维形框，其特征在于：所述的上端框与被隔振负载相连，上球铰座固定在上端框的下表面上，上球铰安装在上球铰座上，下球铰安装在下球铰上，下球铰座与维形框相连；所述的支腿构件包含挡板Ⅰ、模具弹簧Ⅰ、端盖、阻尼器外壳、模具弹簧Ⅱ、挡板Ⅱ、活塞杆、活塞套、挡板Ⅲ、模具弹簧Ⅲ、模具弹簧Ⅳ、挡板Ⅳ、位移传感器、拉压力传感器、加速度传感器以及线圈，模具弹簧Ⅰ安装在上挡板Ⅰ和端盖之间，端盖与阻尼器外壳通过螺纹连接在一起，活塞杆与活塞套通过挡板Ⅱ和挡板Ⅲ进行轴向固定，活塞套与阻尼器外壳通过过渡配合进行径向定位，模具弹簧Ⅱ安装在端盖和挡板Ⅱ之间，模具弹簧Ⅲ安装在挡板Ⅲ与阻尼器外壳的中间隔层之间，模具弹簧Ⅳ安装在阻尼器外壳的中间隔层与挡板Ⅳ之间，活塞杆的一端与上球铰连接，另一端与位移传感器的感应杆连接，位移传感器一端固定在拉压力传感器的中间孔上，拉压力传感器与下球铰连接，加速度传感器固定在挡板Ⅰ的上表面，线圈缠绕在活塞杆上。阻尼器外壳、端盖、活塞杆、活塞套、挡板Ⅱ、挡板Ⅲ、线圈以及磁流变液组成磁流变阻尼器。

当活塞杆相对于阻尼器外壳向下运动时，所述模具弹簧Ⅰ和模具弹簧Ⅲ处于压缩状态，而模具弹簧Ⅱ与模具弹簧Ⅳ处于自由状态，此时，模具弹簧Ⅰ和模具弹簧Ⅲ为并联连接；当活塞杆相对于阻尼器外壳向上运动时，模具弹簧Ⅰ和模具弹簧Ⅲ处于自由状态，而模具弹簧Ⅱ与模具弹簧Ⅳ处于压缩状态，此时，模具弹簧Ⅱ与模具弹簧Ⅳ为并联连接。

所述支腿构件数量为大于等于6的偶数。

所述所塞杆和活塞套由导磁材料制成，其余零部件均由非导磁材料制成。

所述支腿构件的一端两两汇交于固定在上端框上的上球铰座，另一端分别与一个下球铰座相连。固定在上端框上的三个球铰座分布的中心角呈120°，而六个下球铰座相邻分布的中心角呈60°。

所述的上球铰座和下球铰座带有弧形的力分散边沿，能够对集中力进行分散，改善隔振器对基座的力的分布情况。

所述的维形框为六段弧状结构，其两端分别通过螺栓与下球铰座相连，为可拆卸式设计。当对隔振器进行单独实验或搬运时，将维形框与隔振器连接成一体，此时，维形框起到对隔振器进行维持形状的作用；当将隔振器安装到需要隔振的装置或***中后，可以将维形框拆卸下来，减轻隔振器的重量。

所述挡板Ⅱ和挡板Ⅲ均为带凸台结构，这种构型设计可以在模具弹簧和挡板之间为磁流变液留出流动空间，从而防止模具弹簧堵塞磁流变液的流动通道。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

（1）该高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，巧妙地集成了刚度元件、半主动作动器件和自感反馈元器件，大大的简化了传统半主动隔振器的结构形式。相比于传统的被动隔振器，具有更强的环境适应性和更好的隔振效果；相比于传统的主动式隔振器，具有结构形式简单、能耗低、可靠度高等优点。

（2）该高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，采用了模块化设计和可拆卸式设计，大大优化了隔振器的安装过程并减轻了其重量。该高度集成化的自感式六轴锥形隔振器中的六根支腿为模块化设计，便于整体拆装、替换，而其维形框采用了可拆卸式设计，在保证维形功能的同时又可以减轻隔振器的整体重量。

（3）该高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，有别于传统的立方体结构构型设计，而是采用锥形结构，支腿构件也区别于传统隔振器的首尾连接方式。这种设计能够更好的满足不同尺寸要求的隔振***的安装要求，并能够在三个平动以及三个转动方向上同时起到隔振效果。

（4）该高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，集成了四根模具弹簧，工作过程中，当活塞杆相对于阻尼器外壳往返运动时，总可以保证其中两根模具弹簧是处于工作状态，并且两根工作的弹簧是处于并联连接关系，工作弹簧与非工作弹簧的切换过程也是十分平顺的。这种设计可以解决弹簧的固定难题，另外，可以大大增加隔振***的刚度，以满足像航天、船舶等超重载负荷的隔振需求。

附图说明

图1是本发明高度集成化的自感式六轴锥形隔振器的结构示意图。

图2是本发明高度集成化的自感式六轴锥形隔振器的仰视图。

图3是本发明支腿构件的剖视图。

图4是图1的A处的放大图。

图5是图1的B处的放大图。

图6是图3的C处的放大图。

附图标记：1—上端框、2—上球铰座、3—上球铰、4—支腿构件、5—下球铰、6—下球铰座、7—维形框、8—挡板Ⅰ、9—模具弹簧Ⅰ、10—端盖、11—阻尼器外壳、12—模具弹簧Ⅱ、13—挡板Ⅱ、14—活塞杆、15—活塞套、16—挡板Ⅲ、17—模具弹簧Ⅲ、18—模具弹簧Ⅳ、19—挡板Ⅳ、20—位移传感器、21—拉压力传感器、22—加速度传感器、23—线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

图1所示为本发明高度集成化的自感式六轴锥形隔振器的结构示意图，主要包括：上端框1、上球铰座2、上球铰3、支腿构件4、下球铰5、下球铰座6以及维形框7。

图2所示为本发明高度集成化的自感式六轴锥形隔振器的仰视图，上端框1上固定的三个上球铰座2在圆周方向上为均匀布置，两两的中心角为120°；与维形框7连接的六个下球铰座6在圆周方向上为均匀布置，相邻的下球铰座6的中心角为60°。

图3所示为本发明支腿构件的剖视图，主要包括：挡板Ⅰ8、模具弹簧Ⅰ9、端盖10、阻尼器外壳11、模具弹簧Ⅱ12、挡板Ⅱ13、活塞杆14、活塞套15、挡板Ⅲ16、模具弹簧Ⅲ17、模具弹簧Ⅳ18、挡板Ⅳ19、位移传感器20、拉压力传感器21、加速度传感器22以及线圈23。

图4所示为图1的A处的放大图，两根支腿构件4通过两个上球铰3与一个上球铰座2相连。

图5所示为图1的B处的放大图，一根支腿构件4通过一个下球铰5与一个下球铰座6相连。

图6所示为图3的C处的放大图，当活塞杆14相对阻尼器外壳11往返滑动时，磁流变液通过环形节流通道（由活塞杆14与活塞套15形成的环形间隙）在阻尼器外壳11中两个腔室中交换流动。当线圈23通入电流后，会形成垂直通过节流通道的磁场。

上述活塞杆（14）和活塞套（15）由导磁材料制成，其余零部件均由非导磁材料制成。

本发明的工作原理如下：

隔振器安装在隔振***的基座上，被隔振负载安装在隔振器的上端框1上，阻尼器外壳11中充满磁流变液，位移传感器20、拉压力传感器21、加速度传感器22以及线圈23接入控制***。工作过程中，活塞杆14相对于阻尼器外壳11来回运动，其中两根弹簧是处于工作状态，另两根弹簧是处于非工作状态，并且两根工作的弹簧是处于并联连接关系，工作的弹簧与非工作弹簧平顺切换。

当线圈23中不通入电流时，磁流变阻尼器相当于一个传统的液压阻尼器，振动过程中，隔振器通过阻尼作用将振动能量转换为热能进行耗散，从而来隔离振动，改善被隔振负载的振动环境。

当线圈23中通入电流后，将在活塞杆14和活塞套15中形成环形磁场，磁场路径将垂直通过环形间隙，环形间隙中的磁流变液在磁场的作用下会形成磁链，通过环形间隙时便会产生与磁流变液的剪切强度相关的阻尼力，而其剪切强度与磁场强度相关，因此，可以通过改变通入线圈23中电流的大小来动态调节磁流变阻尼器的阻尼力大小。工作过程中，拉压力传感器21采集并反馈支腿构件4的受力状况；位移传感器20采集并反馈活塞杆14相对阻尼器外壳的相对位移状态，经过微分运算处理后得到相对速度信号；加速度传感器22采集并反馈活塞杆14的加速度状态，经过积分运算处理后得到绝对速度信号。反馈或运算后得到信号传输到控制器，经过半主动控制策略运算和决策后，实时调节输入到线圈23中电流的大小，从而实现对隔振器的阻尼力的动态调控。在这种自感反馈式的半主动控制作用下，隔振器根据振动环境进行自适应隔振，使被隔振负载的振动环境得到大大改善。

Claims (3)

1.一种高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，包括上端框(1)、上球铰座(2)、上球铰(3)、支腿构件(4)、下球铰(5)、下球铰座(6)以及维形框(7)，其特征在于：所述的上端框(1)与被隔振负载相连，上球铰座固定在上端框(1)的下表面上，上球铰(3)安装在上球铰座(2)上，下球铰(5)安装在下球铰(6)上，下球铰座(6)与维形框(7)相连；所述的支腿构件(4)数量为大于等于6的偶数，支腿构件(4)包含挡板Ⅰ(8)、模具弹簧Ⅰ(9)、端盖(10)、阻尼器外壳(11)、模具弹簧Ⅱ(12)、挡板Ⅱ(13)、活塞杆(14)、活塞套(15)、挡板Ⅲ(16)、模具弹簧Ⅲ(17)、模具弹簧Ⅳ(18)、挡板Ⅳ(19)、位移传感器(20)、拉压力传感器(21)、加速度传感器(22)以及线圈(23)，模具弹簧Ⅰ(9)安装在上挡板Ⅰ(8)和端盖(10)之间，端盖(10)与阻尼器外壳(11)通过螺纹连接在一起，活塞杆(14)与活塞套(15)通过挡板Ⅱ(13)和挡板Ⅲ(16)进行轴向固定，活塞套(15)与阻尼器外壳(11)通过过渡配合进行径向定位，模具弹簧Ⅱ(12)安装在端盖(10)和挡板Ⅱ(13)之间，模具弹簧Ⅲ(17)安装在挡板Ⅲ(16)与阻尼器外壳(11)的中间隔层之间，模具弹簧Ⅳ(19)安装在阻尼器外壳(11)的中间隔层与挡板Ⅳ(19)之间，活塞杆(14)的一端与上球铰(5)连接，另一端与位移传感器(20)的感应杆连接，位移传感器(20)一端固定在拉压力传感器(21)的中间孔上，拉压力传感器(20)与下球铰(6)连接，加速度传感器(22)固定在挡板Ⅰ(8)的上表面，线圈(23)缠绕在活塞杆(14)上；阻尼器外壳(11)、端盖(10)、活塞杆(14)、活塞套(15)、挡板Ⅱ(13)、挡板Ⅲ(16)、线圈(23)以及磁流变液组成磁流变阻尼器，所述挡板Ⅱ(13)和挡板Ⅲ(16)均为带凸台结构。

2.根据权利要求1所述的高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，其特征在于：当活塞杆(14)相对于阻尼器外壳(11)向左运动时，所述模具弹簧Ⅰ(8)和模具弹簧Ⅲ(17)处于压缩状态，而模具弹簧Ⅱ(12)与模具弹簧Ⅳ(18)处于自由状态，此时，模具弹簧Ⅰ(8)和模具弹簧Ⅲ(17)为并联连接；当活塞杆(14)相对于阻尼器外壳(11)向右运动时，模具弹簧Ⅰ(8)和模具弹簧Ⅲ(17)处于自由状态，而模具弹簧Ⅱ(12)与模具弹簧Ⅳ(18)处于压缩状态，此时，模具弹簧Ⅱ(12)与模具弹簧Ⅳ(18)为并联连接。

3.根据权利要求1所述的高度集成化的自感式六轴锥形隔振器，其特征在于：所述活塞杆(14)和活塞套(15)由导磁材料制成，其余零部件均由非导磁材料制成。