CN100432477C - 仿生耦合减振器 - Google Patents

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本发明涉及仿生机械，特指一种用于抗振动冲击防护的仿生耦合减振器，可用于车载、船载和机载电子信息设备抗振动冲击防护等需要减振抗冲的方面，尤其是抗大振动冲击方面。其由钢丝绳(网)、油液、空气、阻尼板、橡胶罩、橡胶膜及底座耦合构成的，若干股钢丝绳或钢丝网罩构成罩架结构，同时利用阻尼板与位于其上方的橡胶罩和位于其下方的橡胶膜构成油液串流上、下腔室，且橡胶膜与底座形成空气挤压腔，形成类似啄木鸟头颈部特征的物理结构。其有在三个方向同时兼顾衰减大振动和抗大冲击的能力，通用性很强，并具有结构微小、制造方便的特点。

Description

仿生耦合减振器
技术领域
本发明涉及仿生机械，特指一种用于抗振动冲击防护的仿生耦合减振器。
背景技术
振动、冲击等多种随机因素在不同工作条件下的激励和耦合，形成了极为复杂的动力学环境，成为制约各类设备工作可靠性、运动稳定性的重要因素，长期以来人们始终致力减振缓冲的理论和技术研究。目前技术难题：现有减振器技术在衰减振动时，不能兼顾抗大冲击或根本就不能兼顾冲击，且不能实现三向减振抗冲功能。
近几十年来，随着科学技术的高度发展，新的振动理论、测试技术、新型的抗振动冲击介质材料和器件不断涌现。减振防冲，实际上涉及到社会生活的各个方面，无论是航天工业及军用设备的防护，还是汽车制造业及其它工程领域，人们都将减振抗冲技术的研究作为设备性能和安全的重要研究内容，例如随着高阻尼粘弹材料生产技术的进步与成熟，约束阻尼减振理论在解决近代大量存在的宽频带随机振动的多共振峰问题上取得良好效果；美国研究开发的具有高可靠性的钢丝绳减振器，借助良好的非线性阻尼和刚度匹配设计，使其在良好的减振性能，在加固技术中倍受青睐。在此基础上由中科院力学研究所、航天部623所、江南大学等参照美国标准引进与开发了多系列钢丝绳减振器，也极大地丰富了国内在航天与其他领域中的应用。另外国内东南大学和上海交大参照美国和德国等发达国家减振技术应用弹簧刚度与附加的可变库仑阻尼进行了较成功的匹配而开发了无谐峰减振器(该类型仅具有单向减振功能)和复合减振器(结构及性能与无谐峰减振器类似)。杨平等研制设计了多介质耦合减振器、油阻尼减振器等并研究了特性获得了较好的兼顾抗振动冲击性能。但这些减振器件大多不能兼顾抗冲击，更不用说抗大冲击，因此无法满足设备在环境越来越恶劣的条件下安全可靠工作的要求。
发明内容
本发明的目的是针对实现兼顾抗大振动和冲击的技术难题，为解决现有减振器技术在衰减振动时，不能兼顾抗大冲击或根本就不能兼顾抗振动和冲击的缺点，提供一种可实现三向减振抗冲功能的仿生耦合减振器。
实现上述技术目的的技术方案为：
仿生耦合减振器由钢丝绳(网)、油液、空气、阻尼板、橡胶罩、橡胶膜及底座耦合构成的，若干股钢丝绳或钢丝网罩构成罩架结构，同时利用阻尼板与位于其上方的橡胶罩和位于其下方的橡胶膜构成油液串流上、下腔室，且橡胶膜与底座形成空气挤压腔，形成类似啄木鸟头颈部特征的物理结构。
且钢丝绳的初刚度满足固有频率为5～20Hz，阻尼板的面积比率为为阻尼板开孔面积与阻尼板面积的比值，在1/6～1/20之间，空气腔体积与油液腔的比率在1/2～1/10。
本发明通过借鉴啄木鸟头颈部特性即啄木鸟头颈具有一层海绵状的骨骼并吸附着许多液体在颈部具有薄膜构成了微小空气间隙，同时具备强有力的肌肉系统、和骨架，从而形成了抗大振动冲击功能的结构特点，利用了钢丝绳(钢丝网)、油液、空气、橡胶等多种介质设计形成了一种仿生耦合型减振器，该仿生型减振器利用钢丝绳优越的衰减振动性能、油液阻尼优越的抗大冲击性能和空气挤压非线性调整特性进行耦合设计来实现仿生抗振动冲击防护功能。
采用若干股钢丝绳构成一罩架结构，一般可设计3～8股，亦可视尺寸要求设计为钢丝网罩型式，特性相同，该罩架结构可设置于油腔内进一步减小结构，该罩架结构工作时表现出具有一定的刚度和库伦阻尼，从而模仿啄木鸟头颈部筋骨特性，设计阻尼板与橡胶罩及橡胶膜构成油液串流上、下腔室，刚度极小的橡胶膜与底座形成空气挤压腔；振动激励作用时，油液挤压空气形成泵动作用使油液串流而产生油阻尼并结合钢丝绳库伦阻尼来衰减振动，油液阻尼随振动激励的振幅变化而变化，大振幅振动时使上安装板与底座间相对位移大，则泵动作用强，产生较大油阻尼并结合此时已产生作用的钢丝绳库伦阻尼来抑制大振峰，例如共振峰；小振幅振动时使上安装板与底座间相对位移小，则泵动作用弱，产生微小油阻尼，而此时钢丝绳库伦阻尼不产生作用来适应隔振，从而模仿啄木鸟头颈部筋皮特性及吸附的液体流动特性，挤压空气模仿啄木鸟颈部的微小空气间隙特性，从而起到调节刚度和阻尼的作用。针对冲击激励瞬时性，该仿生减振器具有产生大变形的特性，减振器一方面设计具有软刚度特性的钢丝绳产生大变形将能量存储，该特性使上安装板与底座间相对空间获得最充分的利用，另一方面此时由于大变形导致强烈的泵动作用而产生很大的油阻尼并结合已产生作用的库伦阻尼来将冲击能量缓慢衰减，并可获得较小的冲击传递率。
本发明的优点为：
具有在三个方向同时兼顾衰减大振动和抗大冲击的能力，通用性很强，该仿生减振器在与主激励方向垂直的水平面各方向亦具有减振抗冲特性，但工作性能较主激励方向稍差，并具有结构微小、制造方便的特点。其可用于车载、船载和机载电子信息设备抗振动冲击防护等需要减振抗冲的方面，尤其是抗大振动冲击方面。
附图说明
图1为仿生耦合减振器实施例1结构示意图
图2为仿生耦合减振器实施例2结构示意图
图3为仿生耦合减振器在MEMS制造平台中的应用
图4为仿生耦合减振器在车载电子设备中的应用
1-底座  2-钢丝绳(3～8股)  3-橡胶罩  4-上安装板及螺钉杆  5-橡胶膜  6-压板  7-阻尼板  8-油液，9-螺钉  10-压环  11-螺钉杆  12-钢丝绳冠形架(网罩)(3-8股左右)  13-MEMS器件及封装  14-仿生减振器  15-MEMS制造平台  16-车辆  17-电子设备
具体实施方式
如图1所示，实施例1采用若干股钢丝绳2构成一罩架结构，一般采用3～8股，其中阻尼板7与橡胶罩3及橡胶膜5构成油液串流上、下腔室，刚度极小的橡胶膜5与底座1形成空气挤压腔，油液8一般可采用硅油。由此实现材料和结构耦合形成类似啄木鸟头颈部特征的物理结构，从而达到利用钢丝绳优越的衰减振动性能、油液阻尼优越的抗大冲击性能和空气挤压非线性调整特性来实现仿生抗振动冲击防护功能的目标。
如图2所示，实施例2采用若干股钢丝绳构成冠形罩架结构12，一般采用3～8股，其置于橡胶罩3内。其中阻尼板7与橡胶罩3及橡胶膜5构成油液串流上、下腔室，刚度极小的橡胶膜5与底座1形成空气挤压腔，油液8一般可采用硅油。
设计时按需要承受的额定质量计算钢丝绳的初刚度，使固有频率最好落在5～20Hz左右，并设计计算阻尼板的面积比率在1/6～1/20范围内，空气腔体积与油液腔的比率在1/2～1/10。在保证上述参数时可依据其它要求将结构设计成微小型和中大型，该结构的制造比较简便。钢丝绳与上安装板的联结可视尺寸采用整股穿绕接、胶接或焊接。
表1仿生耦合减振器参数性能
  指标类别   实施例1   实施例2   实施例3
  固有频率   5Hz   12Hz   20Hz
  阻尼板的面积比率   1/6   1/10   1/20
  空气腔体积与油液腔的比率   1/2   1/5   1/20
  共振区振动传递率   ≤2.5   ≤1.5   1
  隔振效率   ≥40Hz以后隔振效率＞85％   ≥50Hz以后隔振效率＞85％   ≥60Hz以后隔振效率＞85％
  冲击传递率   ≤0.7(未来目标≤0.4)   ≤0.5(未来目标≤0.3)   ≤0.65(未来目标≤0.4)
  最大相对位移   ≤12mm   ≤15mm   ≤18mm
仿生减振器适合抗10g～500g/11ms的大冲击或更强冲击及总均方根值为1g～300g/2～200Hz或更强随机振动，因此适合各种动力环境下的设备抗振动冲击防护，特别是针对减振抗冲性能要求较高的电子信息设备及在恶劣环境下的防护。
如图3、4所示，本发明仿生耦合减振器在MEMS制造平台中的应用，以及仿生耦合减振器在车载电子设备中的应用。

Claims (3)

1.仿生耦合减振器，其特征在于由钢丝绳、油液、空气、阻尼板、橡胶罩、橡胶膜及底座耦合构成的，若干股钢丝绳或钢丝网罩构成罩架结构，同时利用阻尼板与位于其上方的橡胶罩和位于其下方的橡胶膜构成油液串流上、下腔室，且橡胶膜与底座形成空气挤压腔，形成类似啄木鸟头颈部特征的物理结构。
2.根据权利要求1所述的仿生耦合减振器，其特征在于钢丝绳的初刚度满足固有频率为5～20Hz，阻尼板的面积比率在1/6～1/20，空气腔体积与油液腔的比率在1/2～1/10。
3.根据权利要求1所述的仿生耦合减振器，其特征在于：上述若干股钢丝绳构成的罩架结构，罩架结构的钢丝绳为3～8股，亦可为钢丝网罩型式，该罩架结构亦可置于橡胶罩内。
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