CN112780724A - 一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器及方法，包括外壳体，外壳体内设置正刚度元件、负刚度元件；正刚度元件包括两相对设置的半圆件和两相对设置的簧片，半圆件设置凸起，凸起沿轴向倾斜设置，两半圆件的凸起之间形成缝隙以供簧片伸入；负刚度元件包括外磁环和内磁环，外磁环和内磁环之间具有气隙，内磁环、簧片均与刚度调节机构固定连接，由刚度调节机构带动内磁环、簧片轴向移动以调节刚度。本发明能够适应不同工作负载，且具有良好的低频隔振性能。
Description
技术领域
本发明属于扭转振动隔振技术领域，具体涉及一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
旋转机械在航空航天、加工制造、能源和交通等工业领域中广泛应用。作为旋转机械***一种普遍存在的动力学现象，扭转振动会对机械设备产生干扰，不仅会影响加工精度和工作效率，而且会加剧对内部精密零件的磨损，降低机械设备的使用寿命。同时，剧烈的振动也会带来噪声问题。
隔振技术在处理有害振动问题时通常被优先采用。由机械振动理论可知，传统线性隔振***的临界隔振频率是***固有频率的
倍，即只有当激励频率大于
倍的***固有频率时，***才有隔振效果。故对于低频扭转振动，如果仍采用线性隔振方法，就只能减小机械***的固有频率，但这样会导致***的刚度降低，承载能力下降，降低***的精度和稳定性。与此相比，准零刚度隔振器具有高静态刚度、低动态刚度的特点，不仅有较高的承载能力，而且能够有效隔离低频扭转振动。
目前，准零刚度技术已经被应用于隔离扭转振动，部分学者提出了消除轴系低频扭转振动的隔振器或联轴器，但此类技术只能在设计载荷下对低频扭转振动进行有效的隔离，当负载改变时，隔振效果会明显下降。另有一些学者提出了负刚度可调的准零刚度扭转隔振器，此类技术只能够调节负刚度大小，不能调节正刚度大小，可以在一定程度上提高隔振效果，但仍然只能对固定的设计载荷起到较好的隔振作用，一旦负载变化较大，此类隔振器会较大地偏离准零刚度状态，影响隔振效果。
总而言之，现有的隔振器只能对固定或小变化范围的负载起到隔振作用，在负载发生较大变化时，无法调整刚度大小，或调整刚度大小后无法使正、负刚度相互抵消达到准零刚度状态，也就无法达到很好的隔振效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器及方法，该隔振器能够适应不同工作负载，且具有良好的低频隔振性能。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器，包括外壳体，外壳体内设置正刚度元件、负刚度元件；正刚度元件包括两相对设置的半圆件和两相对设置的簧片，半圆件设置凸起，凸起沿轴向倾斜设置，两半圆件的凸起之间形成缝隙以供簧片伸入；负刚度元件包括外磁环和内磁环，外磁环和内磁环之间具有气隙，内磁环、簧片均与刚度调节机构固定连接，由刚度调节机构带动内磁环、簧片轴向移动以调节刚度。
作为进一步的技术方案，所述外壳体一端与输入轴连接，外壳体另一端连接的端盖设置轴孔，花键轴从轴孔伸出作为输出轴。
作为进一步的技术方案，所述刚度调节机构包括花键套，花键套与花键轴通过花键连接；花键套与动力装置固接，动力装置通过丝杆螺母机构与花键轴连接。
作为进一步的技术方案，所述丝杆螺母机构包括与动力装置连接的滑动丝杆，滑动丝杆与丝杆螺母连接，丝杆螺母与花键轴固接。
作为进一步的技术方案，所述动力装置设置磁编码器，花键轴与端盖设置旋转编码器，磁编码器、旋转编码器均与控制器连接，控制器控制动力装置动作。
作为进一步的技术方案，所述花键套设置于外壳体内，簧片端部固定于两卡环之间，卡环与花键套固定连接；内磁环固定在磁瓦固定圈外周，磁瓦固定圈与花键套固连。
作为进一步的技术方案，所述卡环内壁与花键套外壁均设置多个平面。
作为进一步的技术方案，所述花键轴与外壳体之间设置轴承，花键轴外周安设挡圈，挡圈贴紧轴承内圈设置。
作为进一步的技术方案，所述外磁环和内磁环均包括多个磁瓦，外磁环和内磁环磁瓦的数量相同，外磁环和内磁环的磁瓦一一对应设置，且初始状态下外磁环和内磁环的磁瓦错开设定角度，相对应的外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向相反，内外磁环的磁瓦充磁方向都朝向径向，且外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向沿径向交替变化。
本发明的隔振器的工作原理为：
当隔振器未处于工作状态时，簧片没有弯曲变形，不传递扭矩，此时，外磁环和内磁环的磁瓦在圆周方向错开一定角度θ0；
当隔振器处于工作状态时，簧片产生的扭转正刚度与磁弹簧产生的负刚度相互抵消，使***的总刚度达到准零状态，有效隔离低频振动。但上述准零状态对应于固定的负载扭矩Kr1θ0，当***的负载发生变化时，隔振器会偏离最佳工作位置，隔振效果会明显下降甚至失效。
本发明隔振器可以通过旋转编码器将花键轴相对于壳体产生的角位移转换成相应的电脉冲信号输出，经过控制器，可以得到隔振器的负载扭矩大小。磁编码器会检测到动力装置输出轴旋转的角度，控制动力装置的运行，故可以控制动力装置旋转合适的角度，使花键套在轴向相对于花键轴运动合适的距离，改变簧片与半圆件的接触位置，从而改变簧片的有效作用长度，调节正刚度的大小；同时改变外磁环与内磁环之间气隙在轴向的长度，进而同步调节负刚度的大小。当达到新的稳定工作状态时，正刚度与负刚度仍然近似抵消，故隔振器的总刚度仍接近为零。与调整前不同的是，此时簧片产生的正刚度发生改变，簧片传递的负载扭矩也与调整前不同，从而该隔振器可以适应不同的负载状态，同时在***负载改变后依然能够有效隔离低频扭转振动。
第二方面，本发明实施例还提供了一种如上所述的准零刚度扭转隔振器的工作方法，包括以下步骤：
当隔振器未处于工作状态时，簧片没有弯曲变形，不传递扭矩；
当隔振器处于稳定工作状态时，簧片与半圆件接触并弯曲变形，簧片产生扭转正刚度与内外磁环产生的负刚度相互抵消，隔振器达到准零刚度状态，实现对低频扭转振动的有效隔离；
当负载的大小发生变化时，通过刚度调节机构带动内磁环、簧片轴向移动，簧片与凸起的接触位置、内外磁环之间气隙在轴向的长度发生变化，从而负刚度、正刚度相应发生变化，且正负刚度再次相互抵消，隔振器再次达到准零刚度状态，在负载改变后仍有效隔离低频扭转振动。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明刚度可调的准零刚度扭转隔振器，利用簧片作为正刚度元件，与永磁铁负刚度元件并联，具有高的静刚度，能够有效传递扭矩，同时又具有低的动刚度，能够有效隔离低频扭转振动，拓宽隔振频带。
本发明刚度可调的准零刚度扭转隔振器，可以根据工作负载的变化，通过刚度调节机构带动正负刚度元件同步移动进而使得正、负刚度自动同步调节，使隔振器在不同负载下均能达到准零刚度工作状态，有效提高了隔振器的隔振范围和隔振性能。
本发明刚度可调的准零刚度扭转隔振器，采用一个动力装置同时调节正刚度与负刚度，结构紧凑、控制简单。
本发明刚度可调的准零刚度扭转隔振器，刚度调节机构中的丝杠螺母机构具有自锁功能，即当工作负载稳定，不需要调节时，本发明不需要额外提供能源即可保持当前工作状态，从而可以降低能源消耗。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明隔振器示意图；
图2为图1中A-A向视图；
图3为花键套结构与簧片安装示意图；
图4(a)为隔振器非工作状态下图1中B-B向视图；
图4(b)为隔振器工作状态下图1中B-B向视图；
图5为图1中C处局部放大图；
图6为花键轴上部分零件安装示意图；
图7为本发明隔振器正、负刚度同步调节示意图；
图8为不同调节长度下磁弹簧的扭转刚度-扭转角关系曲线图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1左壳体，2右壳体，3花键轴，4花键套，5端盖，6半圆件，6-1凸起，7簧片，8卡环，9外磁环，10内磁环，11磁瓦固定圈，12步进电机，12-1滑动丝杆，13丝杆螺母，14磁编码器，15旋转编码器，15-1读数头线路板，15-2码盘，16轴承，17挡圈。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器及方法。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器，包括左壳体1、右壳体2以及壳体内部的正刚度元件、负刚度元件和刚度调节机构。
其中，左壳体和右壳体连接形成外壳体；左壳体1和右壳体2通过螺栓和螺母固连。左壳体1一侧设置有轴孔和键槽，与输入轴相连接。右壳体内部设置有花键轴3和花键套4，花键套设于花键轴外且二者通过花键联接并同步转动，花键套4可相对于花键轴3做轴向运动，花键套与外壳体同轴设置；花键轴3一侧设有键槽并通过端盖5的轴孔伸出壳体，作为输出轴；端盖5通过螺钉与右壳体2固连。
正刚度元件设置于左壳体内。正刚度元件包括半圆件6和簧片7，如图2所示。半圆件设置两个，两个半圆件均通过螺钉固连于左壳体内部，半圆件6上设置有一定斜度的半圆柱凸起6-1；两个半圆件6的凸起6-1之间形成狭小缝隙，供簧片7伸入。
在工作时簧片与半圆件上的半圆柱凸起接触，产生的扭转刚度为正，用于传递驱动力矩。
半圆件为半圆环状结构，两个半圆件相对设置，凸起设置于两半圆件的相对位置处。
凸起6-1在半圆件沿轴向倾斜设置，也即凸起与半圆件中心的距离在轴向上由一端至另一端逐渐减小；本实施例中，凸起与半圆件中心的距离在轴向上由左端至右端逐渐减小。
如图3所示，上下两片簧片7安装于左右两个半圆形卡环8之间，两卡环8通过螺栓和螺母固定在花键套4上；卡环与花键套配合处设置成多个平面贴合设置，也即卡环8内壁与花键套4外壁均设有部分平面，通过二者平面的配合形成联接，保证簧片7与花键套4之间没有相对运动。如本实施例中，花键套外壁与卡环内壁之间通过弧形面、平面结合配合的方式，可以牢固的实现二者固定连接而不会产生相对运动。
负刚度元件设置于右壳体内。负刚度元件包括外磁环9和内磁环10，在外磁环9和内磁环10中间有一定气隙，外磁环9和内磁环10构成磁弹簧；外磁环9固定在右壳体2内壁，内磁环10固定在磁瓦固定圈11上，磁瓦固定圈11与花键套4固连。
内外磁环产生的扭转刚度为负。
进一步的方案中，外磁环9和内磁环10均由若干磁瓦组合而成，外磁环9和内磁环10磁瓦的数量相同，均为2N，N为整数并根据需要设计。外磁环和内磁环的磁瓦一一对应设置，相对应的外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向相反，内外磁环的磁瓦充磁方向都朝向径向，且外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向沿径向交替变化，即相邻外磁环的磁瓦充磁方向相反，相邻内磁环的磁瓦充磁方向相反。
进一步的方案中，外磁环9的磁瓦在圆周方向的角宽度稍大于内磁环10的磁瓦，如图4(b)所示。
刚度调节机构由花键轴3、花键套4、步进电机12、丝杆螺母13、磁编码器14以及旋转编码器15构成，其中步进电机12(即动力装置)固定在花键套4上，丝杆螺母13固定在花键轴3上；步进电机12的输出轴为滑动丝杆12-1，该滑动丝杆12-1与丝杆螺母13构成丝杆螺母机构，滑动丝杆12-1无主动输入时可以自锁；当步进电机12转动时，滑动丝杆12-1与丝杆螺母13做相对运动，从而使花键套4相对于花键轴3做轴向运动。
本实施例中，滑动丝杆12-1设置于花键套内，丝杆螺母在花键套内与花键轴固定连接。
磁编码器14固定于步进电机12尾部；如图5所示，旋转编码器15由读数头线路板15-1和码盘15-2构成，读数头线路板15-1固定在端盖5上，码盘15-2固定在花键轴3上。磁编码器、旋转编码器均与控制器连接，控制器控制步进电机动作。
轴承16的内圈与花键轴3配合，外圈与右壳体2配合，用于限制花键轴3相对于壳体的径向运动；如图6所示，挡圈17安装在花键轴3上，并贴紧轴承内圈右侧，用于限制花键轴3相对于壳体的轴向运动；轴承16和挡圈17配合，只允许花键轴3相对于壳体做微量的转动。
在可选的实施方式中，簧片7采用弹簧钢材料，如在本实施例中，采用65钢材料。
在优选的实施方案中，外磁环9和内磁环10的磁瓦采用钕铁硼材料。
在优选的实施方案中，左壳体1、右壳体2、花键轴3、花键套4、端盖5、半圆件6、卡环8和磁瓦固定圈11采用硬铝合金材料。
本发明的工作原理及控制方法如下：
当隔振器未处于工作状态时，簧片7与半圆件6没有接触，故簧片7不发生弯曲变形，不产生扭矩；外磁环9和内磁环10的磁瓦错开一定角度θ0，如图4(a)所示。
当隔振器处于最佳工作状态时，输入轴带动壳体相对于花键套4转动，产生相对角位移θ0(允许在θ0附近小范围波动)，簧片7与半圆件凸起6-1接触而发生弯曲变形，产生扭转正刚度Kr1，提供的驱动扭矩为Kr1θ0；此时外磁环9和内磁环10的磁瓦恰好相对，如图4(b)所示，二者产生的磁力矩为零，但可以产生很大的负刚度Km1。磁弹簧产生的负刚度Km1与簧片7产生的正刚度Kr1刚好抵消，使***的总刚度达到准零状态，从而有效隔离低频扭转振动。而此时隔振器的工作载荷仅由簧片7提供的扭矩Kr1θ0决定，故可以同时保证隔振器具有较高的承载能力。
然而上述的准零状态仅对应于固定的负载扭矩Kr1θ0，当***的负载发生变化时，隔振器会偏离最佳工作位置，使隔振效果明显下降甚至失效。
下面结合图7和图8，以隔振器的工作负载减小为例，说明本发明的刚度调节原理。
当工作负载减小时，隔振器无法达到最佳工作状态，本发明隔振器可以通过旋转编码器15将花键轴3相对于端盖5(也即外壳体)产生的角位移转换成相应的电脉冲信号输出，经过控制器，得到隔振器改变后的负载扭矩大小；通过磁编码器14检测步进电机滑动丝杆12-1旋转的角度，控制步进电机12的运行，进而控制滑动丝杆12-1的旋转角度。当磁编码器14检测到滑动丝杆12-1的旋转角度为α，步进电机停止工作，此时花键套4相对于花键轴3向左移动的距离L；这时簧片7与半圆件凸起6-1的接触位置和外磁环9与内磁环10之间气隙在轴向的长度较之前均有改变，如图7所示。簧片7产生的正刚度与其有效作用长度(受弯长度)有关，有效作用长度越大，刚度越低；因与簧片7接触的半圆件凸起6-1在轴向为倾斜布置，因此，当簧片7相对于半圆件凸起6-1向左运动，簧片7的有效作用长度会增加，隔振器正刚度也随之减小。调整前簧片的正刚度为Kr1，提供的扭矩为Kr1θ0，簧片7向左移动后，其正刚度为Kr2(Kr2＜Kr1)，提供的扭矩为Kr2θ0；磁弹簧产生的负刚度与外磁环9和内磁环10之间的气隙沿轴向的长度有关，如图8所示为磁弹簧在不同调节长度L下的扭转刚度-扭转角关系曲线，可以看出，轴向调节长度L越大，磁弹簧在平衡位置产生的负刚度越小。当内磁环10相对于外磁环9向左移动距离L后，磁弹簧的刚度由原来的Km1减小到Km2，通过合理的参数设计，可以使调节后的正刚度Kr2和负刚度Km2近似抵消，***的总刚度仍然接近为零，故本发明隔振器可以通过调节正刚度与负刚度适应不同的负载扭矩，同时在***负载改变后依然能够对低频扭转振动进行有效的隔离。
本发明隔振器在工作位置附近具有高静态刚度-低动态刚度的特点，既能有效传递驱动力矩，又能有效隔离低频扭转振动。同时本发明隔振器的正刚度和负刚度可以通过一个电机同步调节，使隔振器可以适应不同负载，而且在不同负载下均可以实现准零刚度，有效提高了隔振器的工作范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种刚度可调的准零刚度扭转隔振器，其特征是，包括外壳体，外壳体内设置正刚度元件、负刚度元件；正刚度元件包括两相对设置的半圆件和两相对设置的簧片，半圆件设置凸起，凸起沿轴向倾斜设置，两半圆件的凸起之间形成缝隙以供簧片伸入；负刚度元件包括外磁环和内磁环，外磁环和内磁环之间具有气隙，内磁环、簧片均与刚度调节机构固定连接，由刚度调节机构带动内磁环、簧片轴向移动以调节刚度。
2.如权利要求1所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述外壳体一端与输入轴连接，外壳体另一端连接的端盖设置轴孔，花键轴从轴孔伸出作为输出轴。
3.如权利要求2所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述刚度调节机构包括花键套，花键套与花键轴通过花键连接；花键套与动力装置固接，动力装置通过丝杆螺母机构与花键轴连接。
4.如权利要求3所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述丝杆螺母机构包括与动力装置连接的滑动丝杆，滑动丝杆与丝杆螺母连接，丝杆螺母与花键轴固接。
5.如权利要求3所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述动力装置设置磁编码器，花键轴和端盖设置旋转编码器，磁编码器、旋转编码器均与控制器连接，控制器控制动力装置动作。
6.如权利要求3所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述花键套设置于外壳体内，簧片端部固定于两卡环之间，卡环与花键套固定连接；内磁环固定在磁瓦固定圈外周，磁瓦固定圈与花键套固连。
7.如权利要求6所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述卡环内壁与花键套外壁均设置多个平面。
8.如权利要求2所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述花键轴与外壳体之间设置轴承，花键轴外周安设挡圈，挡圈贴紧轴承内圈设置。
9.如权利要求1所述的准零刚度扭转隔振器，其特征是，所述外磁环和内磁环均包括多个磁瓦，外磁环和内磁环磁瓦的数量相同，外磁环和内磁环的磁瓦一一对应设置，且初始状态下外磁环和内磁环的磁瓦错开设定角度，相对应的外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向相反，内外磁环的磁瓦充磁方向都朝向径向，且外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向沿径向交替变化。
10.如权利要求1-9任一项所述的准零刚度扭转隔振器的工作方法，其特征是，包括以下步骤：
当隔振器未处于工作状态时，簧片没有弯曲变形，不传递扭矩；
当隔振器处于稳定工作状态时，簧片与半圆件接触并弯曲变形，簧片产生扭转正刚度与内外磁环产生的负刚度相互抵消，隔振器达到准零刚度状态；
当负载的大小发生变化时，通过刚度调节机构带动内磁环、簧片轴向移动，簧片与凸起的接触位置、内外磁环之间气隙在轴向的长度发生变化，从而负刚度、正刚度相应发生变化，且正负刚度再次相互抵消，隔振器再次达到准零刚度状态。
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