CN102116357A - 一种悬臂式半主动吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种悬臂式半主动吸振器。包括悬臂梁、方箱、直流电机、传动齿轮、由铁芯与线圈构成的电磁铁以及主动控制器，悬臂梁上带燕尾槽，悬臂梁的两个侧边带有齿条，方箱的下部带有与悬臂梁上的燕尾槽相匹配的梯形块，两部直流电机安装在方箱两侧，安装在直流电机轴上的传动齿轮与齿条相啮合，由铁芯与线圈构成的电磁铁置于方箱中，主动控制器控制直流电机和电磁铁。本发明的一种悬臂梁式半主动吸振器，仅需单个安装点、无闲置梁长度、具有高抗振性和可靠性的特点。

Description

一种悬臂式半主动吸振器

技术领域

本发明涉及的是一种吸振器，特别是一种悬臂式半主动吸振器。

背景技术

在振动控制工程领域中，被动式动力吸振器常用于控制特定的单一频率振动。当外部激励的频率发生变化时，被动式动力吸振器将起不到特定频率振动控制的作用，如果通过刚度或质量的改变，使得吸振器的固有频率随着外部激励频率的变化而变化，将拓宽吸振器的吸振频率范围。这种可变自身频率的动力吸振器常被称为半主动吸振器或自调谐吸振器。

一般而言，半主动吸振器改变刚度比改变质量容易实现。目前改变刚度的方法常有电磁式、电液式和机械式。在电磁式半主动吸振器中，典型的有通过改变电流改变电磁刚度(【1】张洪田，李玩幽，刘志刚等.电动式主动吸振技术研究[J].振动工程学报，2001，14(1)：113-117)、改变间隙改变电磁刚度等形式(【2】钱小勇，胡海岩.可调间隙的半主动吸振器及其实现[J].振动工程学报，2001，14(4)：378-382)；电液式通过电流变液或磁流变液实现刚度的改变(【3】徐振邦.自调谐吸振技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010；【4】王莲花，龚兴龙，倪正超，徐振邦，张鳃，陈海波等.多个磁流变弹性体自调谐式吸振器的联合控制研究[J].实验力学，2008，23(2)：97-102)。机械式常见的改变弹簧有效圈数式(【5】徐振邦，龚兴龙，陈现敏等.机械式频率可调动力吸振器及其减振特性[J].振动与冲击，2010，29(2)：1-6)、弯曲板簧式(【6】孙建民，陈玉强.一种主动调谐式内燃机吸振器的设计[J].黑龙江工程学院学报，2001，15(2)：45-47)、平行板滑块式、空气弹簧式(【7】靳晓雄，肖勇，蔺玉辉，朱娜等.空气弹簧半主动式动力吸振器的研究[J].中国工程机械学报，2007，5(3)：253-257)。

悬臂梁式半主动吸振器具有结构简单、线性度好的优点。最早由我国郝志勇、舒歌群等人设计并在内燃机振动控制中取得成功(【8】郝志勇，舒歌群.内燃机振动动力式主动吸振器的研究[J].设计·计算·研究，1999(4)：9-10)，该半主动吸振器将吸振质量与驱动电机分离设计，驱动电机也是悬臂梁的一个质量，这种设计不仅含有质量块形成的主频率，也含有驱动电机质量形成的干扰频率。1999年，Nagaya设计的通过丝杠上的支撑板移动来改变悬臂有效长度(【9】Nagaya K，Kurusu A，Ikai S，et al.Vibration Control of a structureby using a tunable absorber and an optimal vibration absorber under auto-tuningcontrol[J].Journal of Sound and Vibration，1999，228(4)：773-792)。Carneal将驱动电机直接作为振动质量块，这样使得结构更加紧凑(【10】Carneal J P，Charette F，Fuller CR.Minimization of sound radiation from plates using adaptive tunedvibrationabsorber s[J].Journal of Sound and Vibration，2004，270(4-5)：781-792)。上述三种悬臂梁式半主动吸振器中的横梁均是两端固定，质量块在中间的结构，质量块的驱动均是通过丝杠来完成的。这种结构需要两个安装点；悬臂梁的有效长度只有梁长度的一半，造成了空间的闲置；要求丝杠的加工精度高，当吸振器发挥作用时，丝杠也以共振频率进行振动，磨损快，降低了吸振装置的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仅需单个安装点、无闲置梁长度、具有高抗振性和可靠性的悬臂式半主动吸振器。

本发明的目的是这样实现的：

包括悬臂梁、方箱、直流电机、传动齿轮、由铁芯与线圈构成的电磁铁以及主动控制器，悬臂梁上带燕尾槽，悬臂梁的两个侧边带有齿条，方箱的下部带有与悬臂梁上的燕尾槽相匹配的梯形块，两部直流电机安装在方箱两侧，安装在直流电机轴上的传动齿轮与齿条相啮合，由铁芯与线圈构成的电磁铁置于方箱中，主动控制器控制直流电机和电磁铁。

所述的方箱由与梯形块连成一体的方箱底座和方箱上端盖组成。

悬臂梁的两个侧边上的齿条是在悬臂梁的两个侧边上直接加工而成。也可以是将两根齿条分别固定在悬臂梁的两个侧边上。

本发明的结构主要包括带燕尾槽和侧边齿条的悬臂梁、两部直流电机和传动齿轮、带梯形块的方箱、铁芯线圈构成的电磁铁和主动控制器等。其中悬臂梁的一端通过螺栓等方式固定于待减振机器的机角等部位，从另一端起开通一定长度的燕尾槽，和方箱的梯形块配合，作为方箱和电机组合体的滑动轨道。方箱的作用主要是作为吸振器的可调质量元件以及电机的安装平台。方箱通过悬臂梁燕尾槽开通的一端进入轨道，与悬臂梁组合。方箱两侧固定两部直流电机，电机输出轴与悬臂梁所在平面垂直，轴上安装的齿轮与悬臂梁侧面加工出的齿条状轮廓啮合。双侧同时传动，有利于运动的稳定性。方箱由外壳和内部电磁铁组成：外壳可以拆装，内部电磁铁的线圈两极连接到方箱外部，电流的通断状态由控制器发出的指令控制。

各部分的主要特点体现在：

悬臂梁导轨的作用是支撑质量元件，提供齿条传动副，开通的燕尾型槽同时起到固定质量元件和提供滑动轨道的作用，其最主要的意义在于作为吸振器的刚度元件，配合质量元件在悬臂梁上的不同位置，可以提供不同的刚度特性。悬臂梁的固定端根据调试类似吸振器的经验，设计成圆弧外廓，螺孔周围以设计螺纹型号对应的螺母外径为直径铣出浅槽(沉孔)，这些设计有助于优化悬臂梁的固定效果，减少传递途径对安装点的吸振效果的消极影响。

电机采用双侧布置，使整个结构受力均匀、方箱滑动顺畅。电机由主动控制器发出的指令控制。两部电机接收的指令均为同步信号。

电磁铁的作用在于当一次调节控制完成时，开通电磁铁产生磁场，方箱和悬臂梁配合面之间产生较大的磁吸引力，起到固定方箱位置的作用。

主动控制器的作用是根据悬臂梁吸振器的固有频率与质量元件位置的关系决定的控制律和误差通道传感器拾取的误差信号发出电机控制信号，并且控制电磁铁电流的通断以配合电机的运动状态。主动控制器可以设计成基于整个隔振系统的多通道误差辨识和多通道控制信号输出的实时综合控制器，也可以设计成各个吸振器专用的内置控制器。

燕尾槽和梯形块的配合面要求一定的加工平面度，保证磁力固定的效果和滑动的顺畅。滑槽内可能无法上油润滑，以免引入油膜刚度影响吸振器固有频率。另外由于燕尾槽属于较开放的结构形式，润滑油有溢出或渗透到悬臂梁工作面上的可能，也许会影响电磁铁的固定效果。悬臂梁与方箱的配合区域在开通燕尾槽之前铣出浅槽，用以限制方箱的横向偏移。

与已有的悬臂梁式半主动吸振器相比，本发明的优点主要体现在：

1、本发明仅需要一个安装点，更加利于工程实施。

2、本发明整个梁的长度均是可调刚度的有效长度，无闲置长度，拓宽了吸振频带。

3、本发明采用齿条驱动振动质量，不仅加工精度可比丝杠低，降低了成本，而且齿条的低精度要求还提高了整个装置的抗振性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是方箱的结构示意图；

图3是齿条的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1-图3。本发明的悬臂式半主动吸振器包括悬臂梁10、方箱2、直流电机6、传动齿轮8、由铁芯与线圈构成的电磁铁5以及主动控制器9，悬臂梁上带燕尾槽，悬臂梁的两个侧边带有齿条1，方箱的下部带有与悬臂梁上的燕尾槽相匹配的梯形块，两部直流电机安装在方箱两侧，安装在直流电机轴7上的传动齿轮与齿条相啮合，由铁芯与线圈构成的电磁铁置于方箱中，主动控制器控制直流电机和电磁铁。方箱由与梯形块连成一体的方箱底座3和方箱上端盖4组成。

上述组成部分组合后构成悬臂梁滑轨、质量元件、驱动传动组件、电磁离合装置和主动控制器。其中悬臂梁滑轨一端作为螺栓连接的固定部位，另一端开通燕尾槽，其长度由设计的频率调节范围决定。梁的两侧加工为齿条形式，长度可参考燕尾槽的长度。梁上存在两个配合面，一是螺栓孔处，一是质量块与悬臂梁接触表面的扫掠区域。这两个配合面铣成浅槽用于改善配合面的稳定性。质量元件为一方箱，有端盖可以开启和封闭，内部有空腔用于容纳电磁离合装置。端盖有孔用于电磁离合装置的导线布置。方箱下部有梯形梁状结构，用于同悬臂梁上开通的燕尾槽的配合。任何的安装或者悬挂方式，均由梯形块与燕尾槽的不同配合面承受主要压力，以保护齿轮副。方箱两侧固定直流步进电机。电机输出轴指向有梯形梁的一侧，轴端装有齿轮，与悬臂梁两侧的齿条分别啮合。两部电机接受同步信号。电磁离合装置是由铁芯和线圈构成的电磁铁，其电流的通断由电机的驱动状态决定，共同受主动控制器发出的信号控制。

安装时将电磁铁线圈绕组放入质量元件内部腔体中并做好固定，确保导线延伸到外部并封闭方箱端盖。在方箱两侧固定安装两部直流步进电机，确保输出轴的方向指向梯形梁一侧。将齿轮安装到电机输出轴端(键)，把组装好的质量结构嵌入到悬臂梁上，梯形块对准燕尾槽，两侧齿轮对准两侧齿条，手动将传动副和配合面组装完毕后连接控制电路并安装燕尾槽端部止动块以及固定端的螺栓。

工作时由主动控制器根据设定的控制算法，将拾取的误差通道信号进行处理并输出控制信号，令电磁离合装置处于松脱状态，控制电机驱动质量元件在滑轨中运动，搜索或直接实现指定的最佳工作点，最后控制电磁离合装置锁定质量元件的位置。电机的运转状态以离合器的松脱状态为前提条件，离合器的锁闭状态以电机的待机状态为前提条件。控制回路的设计中考虑上述的逻辑约束，以免发生机械运动的矛盾。

Claims (4)

1.一种悬臂式半主动吸振器，包括悬臂梁、方箱、直流电机、传动齿轮、由铁芯与线圈构成的电磁铁以及主动控制器，其特征是：悬臂梁上带燕尾槽，悬臂梁的两个侧边带有齿条，方箱的下部带有与悬臂梁上的燕尾槽相匹配的梯形块，两部直流电机安装在方箱两侧，安装在直流电机轴上的传动齿轮与齿条相啮合，由铁芯与线圈构成的电磁铁置于方箱中，主动控制器控制直流电机和电磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂式半主动吸振器，其特征是：所述的方箱由与梯形块连成一体的方箱底座和方箱上端盖组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种悬臂式半主动吸振器，其特征是：悬臂梁的两个侧边上的齿条是在悬臂梁的两个侧边上直接加工而成。

4.根据权利要求1或2所述的一种悬臂式半主动吸振器，其特征是：悬臂梁的两个侧边上的齿条是将两根齿条分别固定在悬臂梁的两个侧边上。

Images