CN103047363A - 一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置，包括基座、基本弹簧、筒状结构、压电陶瓷作动器、摩擦块、压电陶瓷防护罩；筒状结构位于基本弹簧内部并与基本弹簧并联安装在基座上，基本弹簧的上部与压电陶瓷防护罩，筒状结构的上部与压电陶瓷作动器连接。压电陶瓷作动器安装在压电陶瓷防护罩的里面，压电陶瓷防护罩的侧面为摩擦面，压电陶瓷输出轴穿过压电陶瓷防护罩上的通孔至摩擦面的外侧，摩擦块安装在作动器的输出轴另一端上。本发明是一种基于压电陶瓷作动器的主动隔振装置，能同时改变主动隔振装置的阻尼特性和刚度特性，结构简单，抗干扰能力强。

Description

一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置

技术领域

本发明涉及一种主动隔振装置，用于振动结构与基础之间的振动隔离，主要涉及一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置

 [0002]  背景技术

由弹簧和阻尼器组成一个最基本的减振器，属于被动减振方式。在一般情况下，弹簧的刚度系数和阻尼器的阻尼系数是一个确定的常值，被动隔振系统的参数一旦确定，其适用范围便固定了，若要改变其适用范围需重新设计系统，所以，被动减振方式只在一定频率范围内有效，适应频带窄。根据振动理论可知，只有当激励频率与系统固有频率之比大于1.414时，减振器才有减振效果，因此，被动减振技术仅适用于中、高频范围的减振系统。

主动减振技术利用外部能源，在系统受到外部激励而引起振动的过程中，瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减系统的动力响应，适应频带宽。目前，基于智能材料的主动减振方法应用日益广泛。基于智能材料结构的主动/半主动减振技术，打破了传统的材料科学与机械工程的界限，得到了学术界和工程界的高度重视，是国内外目前研究和开发的热点之一，是减振技术的一个发展趋势。用于振动主动控制的智能材料主要有压电陶瓷、形状记忆合金、磁流变流体和电流变流体。其中压电陶瓷由于其独有的机电耦合特性，刚度大，结构简单，体积小，无机械摩擦，无热交换和噪音等特点，是一种应用最广泛的智能材料之一。

基于压电陶瓷作动器的主动减振技术适应频带宽，环境适应能力强，同时对被动减振技术难以解决的低频振动问题也适应。然而，基于压电陶瓷作动器的主动减振方法都是通过直接抑制激振力的方法来减小振幅或振动力的，其实现会受到压电陶瓷作动器的机电耦合特性的限制，需要另外设计复杂的位移放大装置，同时需要很高的驱动电压才能实现。

 发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置，这种基于压电陶瓷作动器的主动减振技术的主动隔振装置以间接的方式改变振动系统的阻尼特性以及刚度特性。

为了解决上述技术问题，本发明所使用的一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置，包括基座、基本弹簧、筒状结构、输出连接板，压电陶瓷作动器、摩擦块、压电陶瓷输出轴、压电陶瓷防护罩；基本弹簧的下端与基座相联，筒状结构的下端与基座相联，筒状结构位于基本弹簧内部并与基本弹簧并联；基本弹簧的上端与压电陶瓷防护罩相联；筒状结构的上端与压电陶瓷作动器相联；压电陶瓷作动器安装在压电陶瓷防护罩的里面，压电陶瓷作动器安装有二根以上的压电陶瓷输出轴；压电陶瓷防护罩侧面上开有与压电陶瓷输出轴相对应的长通孔，长通孔的周围为摩擦面，压电陶瓷输出轴另一端穿过通孔至摩擦面的外侧，摩擦块固定安装在摩擦面外侧的压电陶瓷输出轴上，输出连接板固定安装在压电陶瓷防护罩上。 

在上述技术方案中，由于把安装有摩擦块的压电陶瓷作动器安装在筒状结构上，通过外加电场控制压电陶瓷作动器动作而产生微位移，带动两端的压电陶瓷输出轴向内缩而压紧于压电陶瓷防护罩的摩擦面上，在系统振动时依靠二者之间的相对运动产生摩擦力，利用系统的粘滑振动响应模式和特性，通过改变系统的阻尼特性和刚度特性，以间接的方式抑制振动位移或反作用力的传递。与直接利用压电陶瓷作动器抑制激振力的方法来减小振幅或振动力的方式相比，它不需要复杂的位移放大装置，也不需要很高的驱动电压，有效地改善了减振效果受压电陶瓷作动器机电耦合特性限制的问题，结构简单，更易于实现。

作为本发明的进一步改进，基本弹簧的下端通过第四法兰与基座相联，基本弹簧的上端通过第二法兰与压电陶瓷防护罩相联；主动弹簧的下端通过第三法兰与基座相联，主动弹簧的上端通过第一法兰与压电陶瓷作动器相联。弹簧与基座、弹簧与压电陶瓷作动器、弹簧与压电陶瓷防护罩之间通过法兰相连接。这样做可以使弹簧更好的与其他部件相连接。

作为本发明的进一步改进，本发明要进一步解决的问题是提供一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置，这种主动隔振装置能够使阻尼特性和刚度特性做更大的改变。为此，在本发明进一步改进的技术方案中，把筒状结构改为弹簧，并成为主动弹簧。

作为本发明的进一步改进，长通孔的长度大于主动弹簧的最大变形量，输出轴在长通孔中的起始位置位于靠近长通孔底部的位置，这样有利于发挥主动弹簧的最大作用。

作为本发明的进一步改进，摩擦块通过定位螺钉固定在压电陶瓷作动器输出轴上，通过调整定位螺钉使摩擦块与压电陶瓷防护罩的摩擦面之间留有初始间隙，这样做可以在压电陶瓷作动器不工作时，主动弹簧不起作用，振动载荷完全由基本弹簧承受；压电陶瓷作动器工作时，主动弹簧与基本弹簧共同承受振动载荷，压电陶瓷作动器输出轴的装有摩擦块的一端有螺纹孔，间隙调整螺钉安装在螺纹孔上，间隙调整螺钉与摩擦块之间有一外圈直径大于压电陶瓷作动器输出轴直径的垫圈，由于摩擦块套装于压电陶瓷作动器输出轴上，摩擦面之间的初始间隙可以通过间隙调整螺钉以及定位螺钉来调整，这样做可以更精确地调整间隙大小，从而满足不同的作动器对初始间隙大小的要求。

作为本发明的进一步改进，对摩擦面进行渗碳处理以及摩擦块进行表面阳极化处理可以提高摩擦面以及摩擦块的硬度和耐磨性。

作为本发明的进一步改进，摩擦块的厚度稍大于压电陶瓷输出轴伸出防护罩的摩擦面的长度，在压电陶瓷作动器工作时，这样做便于调整摩擦块与压电陶瓷防护罩的摩擦面之间的初始间隙，同时可以使摩擦块更好的固定在压电陶瓷作动器的输出轴上。

 

作为本发明的进一步改进，压电陶瓷作动器的外侧面与压电陶瓷防护罩内侧保持平行，当摩擦块沿摩擦面上下运动时，双向输出型压电陶瓷作动器的外侧面与压电陶瓷防护罩内侧不接触，这样做可以使摩擦系数基本为一定值以及保证主动隔振装置的正常运转。

作为本发明的进一步改进，压电陶瓷作动器的外侧面压电陶瓷防护罩内侧之间的间隙相同。当双向输出型压电陶瓷作动器动作而产生微位移时，带动两端的压电陶瓷输出轴向内缩而压紧于压电陶瓷防护罩的摩擦面上，在系统振动时依靠二者之间的相对运动产生摩擦力。只有双向输出型压电陶瓷作动器的外侧面压电陶瓷防护罩内侧之间的间隙相同才能使摩擦面上的压力相同。从而保证每个摩擦面上的摩擦力相同。

由于压电陶瓷作动器的输出轴与通孔之间有一定的间隙，使摩擦面的宽度大于摩擦块的宽度，就可以保证在压电陶瓷作动器工作时，摩擦块始终与摩擦面充分接触，从而保证摩擦系数基本为一确定值。基座上有大定位凹孔和小定位凹孔，所述第三法兰安装在小定位凹孔中，所述第四法兰安装在大定位凹孔中。从而保证基本弹簧及其连接部件与筒状结构及其连接部件的正确定位，便于安装。第二法兰和第四法兰有安装孔，安装孔为长圆弧形孔。与基本弹簧相连的整个装配体可以绕其中心线作一定角度范围的转动，从而保证压电陶瓷作动器的外侧面与压电陶瓷防护罩内侧保持平行的情况下实现正确的安装、以消除制造和安装误差带来的影响。

其中基本弹簧采用压缩弹簧结构；筒状结构可采用压缩弹簧结构，也可采用其他结构型式，如薄壁圆筒结构，需根据具体的应用场合合理选用。

本发明涉及的隔振装置有两种工作方式：阻尼控制方式和刚度控制方式；

其中对于阻尼控制方式，在系统的滑移模式下，利用摩擦块与防护罩之间的摩擦力为系统提供干摩擦阻尼，耗散系统的振动能量，降低系统的振动幅值，减小结构与基础之间振动能量的传递；摩擦力的大小通过压电陶瓷作动器的控制电压进行调节，选择合适的控制电压可获得最佳减振效果；

其中对于刚度控制方式，在系统的粘滞模式下，摩擦块与防护罩之间不再有相对运动，主动弹簧－质量系统与基本弹簧－质量系统刚性耦合成一个整体，系统由两自由度系统变成单自由度系统，静刚度变大，固有频率增大。此种控制方式在系统工作在基本弹簧－质量系统的固有频率附近或跨越其固有频率时，通过选择合适的参数，可大幅度减小系统的振动。

 附图说明

图1为一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置结构示意图。

图2为基座结构示意图。

图3为双向输出型压电陶瓷作动器及其组件示意图。

图4为压电陶瓷防护罩仰视图。

图5为压电陶瓷防护罩主视图。

图6为压电陶瓷防护罩俯视图。

图7为基本弹簧连接法兰主视图。

图8为基本弹簧连接法兰俯视图。

图9为主动弹簧下连接法兰主视图。

图10为主动弹簧下连接法兰俯视图。

图11为输出连接板结构示意图。

图12为压电陶瓷作动器不同作动力下主动隔振装置的隔振效果图。

附图标记名称如下：1.基座；2.基本弹簧；3.筒状结构；4.摩擦块；5.压电陶瓷输出轴；6.加大垫圈；7.间隙调整螺钉；8. 锁紧螺钉；9.输出连接板；10.压电陶瓷防护罩；11.压电陶瓷作动器；12.第一法兰；13.第二法兰；14.第三法兰；15.第四法兰；16.连接螺钉；17.大定位凹孔；18.小定位凹孔；19.第三法兰连接螺纹孔；20.第一法兰安装螺纹孔；21.压电陶瓷出线孔；22.第二法兰安装螺纹孔；23.摩擦面；24.长通孔；25.输出连接板安装螺纹孔；26. 圆弧形长圆孔；t.摩擦块厚度。

 具体实施方式

为叙述方便，下文中所称的“左”“右”“上”“下”“前”“后”与附图本身的左、右、上、下、前、后方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

把主动弹簧上连接法兰简称为第一法兰，把基本弹簧上连接法兰简称为第二法兰，把主动弹簧下连接法兰简称为第三法兰，把基本弹簧下连接法兰简称为第四法兰。

本发明的结构形式如图1所示：一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置包括基座1，基本弹簧2、主动弹簧3，第一法兰12，第二法兰13，第三法兰14，第四法兰15，双向输出型压电陶瓷作动器11，摩擦块4，压电陶瓷输出轴5，加大垫圈6，间隙调整螺钉7，锁紧螺钉8，压电陶瓷防护罩10，输出连接板9和连接螺钉16。

如图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11所示：基本弹簧2与第二法兰13、第四法兰15装配在一起，主动弹簧3与第一法兰12、第三法兰14装配在一起，弹簧与法兰之间最好为小过盈配合，也可以采用其他公知的配合方式。其中弹簧两端必须磨平且保持平行。第二法兰13、第四法兰15的安装孔为四个均匀分布的圆弧形长圆孔26。通过螺钉将双向输出型压电陶瓷作动器11固定安装在第一法兰12上，也可以通过其他公知方式将双向输出压电陶瓷作动器11固定安装在主动弹簧3上；双向输出型压电陶瓷作动器11的第一法兰安装螺纹孔20为上下贯穿的螺纹孔。双向输出型压电陶瓷作动器11的控制线通过压电陶瓷出线孔21引出，出线孔22的位置也可以布置在下方。用螺钉将压电陶瓷防护罩10通过第二法兰安装螺纹孔22固定安装在第二法兰13上，也可以通过其他公知方式将压电陶瓷防护罩10固定安装在基本弹簧2上。第三法兰14位于基座1的小定位凹孔18中，用螺钉将第三法兰14固定在基座1的第三法兰连接螺纹孔19上，螺钉的头部完全拧入安装孔的沉孔中。基本弹簧2套装于主动弹簧3外，基本弹簧2连接的整个组件放置于基座1上，使得第四法兰15用连接螺钉16固定于基座1上的大定位凹孔17中。也可以通过其他公知的方式把基本弹簧2与主动弹簧3联接在基座、双向输出型压电陶瓷作动器、压电陶瓷防护罩上。

如图1、3、4、5、6、11所示：双向输出型压电陶瓷作动器11为一长方体，也可以为其他形状，如正方体、圆柱体等，压电陶瓷防护罩10的形状是根据双向输出型压电陶瓷作动器11的形状来确定的。双向输出型压电陶瓷作动器11安装有二根输出轴5，也可以安装有多根输出轴5，只要所有邻近的输出轴5相互之间间隔的角度是相等的就可以了，这样做的目的是为了保证摩擦块4相对于压电陶瓷防护罩10的压力均衡。压电陶瓷防护罩10为一长方体，压电陶瓷防护罩10的四个侧面均有一个凸起的平面，称为摩擦面23，也可以使用压电陶瓷防护罩10的侧面作为摩擦面23，摩擦面23也不一定为平面，也可以是与摩擦面23相适应的面。摩擦块4套装于输出轴5上。摩擦面23宽度大于摩擦块4的宽度，摩擦面23的宽度最好是略大于摩擦块4的宽度；在左右位置上，摩擦块4位于摩擦面的正中间。工作中只会用到2个摩擦面，另外2个摩擦面作为备用，以便于工作摩擦面出现磨损后使用。每个摩擦面上中间位置都开有长通孔24，压电陶瓷输出轴5穿过长通孔24，长通孔24的宽度要大于输出轴5轴径，长通孔24的长度最好是略大于主动弹簧3的最大变形量，输出轴5在长通孔24中的起始位置最好是位于靠近长通孔24底部的位置，这样有利于发挥主动弹簧的最大作用。长通孔24的形状为长圆孔，也可以为长方孔，其目的是为了可以使输出轴5在长通孔24内上下运动。摩擦块4套装于摩擦面23外侧的输出轴5上，摩擦块4的厚度t稍大于输出轴5伸出压电陶瓷防护罩10的摩擦面23的长度；输出轴5的装有摩擦块4的一端的轴端上有螺纹孔，间隙调整螺钉7安装在输出轴5轴端上的螺纹孔上，螺钉下加有一垫圈6，通过间隙调整螺钉7调整摩擦块4与摩擦面23之间的间隙，每个摩擦块上有2颗锁紧螺钉8，通过锁紧螺钉8把摩擦块4固定在输出轴5上。摩擦块4进行表面阳极化处理，压电陶瓷防护罩10的摩擦面23进行渗碳处理。用螺钉将输出连接板9和压电陶瓷防护罩10通过输出连接板安装螺纹孔25固定连接在一起，螺钉的头部低于输出连接板9的上平面。压电陶瓷防护罩10的内侧面与双向输出压电陶瓷作动器11的外侧面保持平行。通过间隙调整使得双向输出型压电陶瓷作动器11的左外侧面与压电陶瓷防护罩10左内侧面之间的间隙与双向输出型压电陶瓷作动器11的右外侧面与压电陶瓷防护罩10右内侧面之间的间隙相同。本实施例中隔振装置与系统的连接方式为：通过基座1与基础连接，通过输出连接板9与振动系统相联。

本实施例中隔振装置的工作原理为：

当系统的振动在允许范围内时，双向输出型压电陶瓷作动器不工作，主动弹簧－质量系统与基本弹簧－质量系统之间的运动相互独立，振动载荷完全由基本弹簧承受，而主动弹簧在系统中不起作用；当系统的振动超过允许范围时，对本发明所述双向输出型压电陶瓷作动器施加控制电压，压电陶瓷作动器将向内缩而产生微位移；摩擦块与防护罩的摩擦面之间有一个初始间隙，间隙大小可通过间隙调整螺钉配合塞尺进行调节；当压电陶瓷作动器的位移大于这个初始间隙后，若进一步加大控制电压，压电陶瓷作动器会通过压电陶瓷输出轴使得摩擦块压紧于压电陶瓷防护罩的摩擦面上；随着系统的振动，在摩擦块与压电陶瓷防护罩之间会产生滑动摩擦力，使得主动弹簧在振动系统中起作用，与基本弹簧一起共同承受振动载荷；滑动摩擦力的大小由摩擦块对压电陶瓷防护罩的压紧力决定，而压紧力可通过控制电压调节；当主动弹簧与基本弹簧之间有相对滑移时，本发明利用摩擦块与压电陶瓷防护罩之间的滑动摩擦力为系统提供干摩擦阻尼，耗散系统的振动能量，降低系统的振动幅值，减小振动结构与基础之间振动能量的传递；此种控制方式称为阻尼控制方式，即随着压紧力的增大，系统的静刚度一定，其固有频率维持不变，而系统的等效阻尼比（利用能量等效原理将滑动摩擦力等效成等效阻尼力）增大；随着压紧力的增大，主动弹簧与基本弹簧逐渐耦合到一块，系统的静刚度增大，即提高了系统的固有频率，系统的运动形式在滑移与粘滞之间变化；在这个阶段，隔振装置可通过阻尼和刚度的组合形式改变系统的结构特性和振动传递特性，以减小系统的振动响应。

当压紧力加到足够大，使得主动弹簧与基本弹簧粘滞在一起，不再有相对滑动，则二者刚性耦合成为一个单自由度系统，固有频率取得最大值，当参数合适时，可以取得很好的减振效果，此种控制方式称为刚度控制。

图12为隔振装置在压电陶瓷作动器不同作动力下的隔振效果图。该图表明，这簇幅频特性曲线有一个公共点；当系统幅频特性曲线的峰值位于在该公共点处时，系统的幅频特性曲线取得最小峰值，其减振效果最佳，此时N=216牛顿；当0<N<216牛顿时，随着作动力N的增大，系统幅频特性曲线峰值逐渐减小，体现为滑动摩擦力提供的等效阻尼比在增大，而系统固有频率维持不变，其响应模式为粘滞-滑移-粘滞-滑移；当N >216后，当作动力N增大时，系统幅频特性曲线峰值反而增大，体现为滑动摩擦力提供的等效阻尼比在减小，其响应模式为粘滞-滑移-粘滞；同时，随着作动力N的增大，系统的固有频率慢慢增大，即基本弹簧与主动弹簧因为粘滞的作用而逐渐耦合在一起；当作动力N足够大时，系统不存在滑移运动，基本弹簧与主动弹簧刚性联接成一单自由度系统，如图中的虚线部分，此作动力的大小可根据系统实现刚性联接的条件进行计算；若N<157.0796，在共振频率W=1位置，幅频特性曲线峰值趋向于无穷大，原因是干摩擦阻尼消耗的能量远小于系统输入的能量，而N>157.0796时，共振峰值得到有效控制。

本实施例中，系统参数的取值如下：m ₁=4kg，k ₁=1.95×10⁵N/m，m ₂=0.4kg，k ₂=4.875×10⁵N/m，F(t)=20sinwt, w=209rad/s。 

Claims (10)

1.一种刚度及阻尼可调的主动隔振装置， 包括基座（1）、基本弹簧（2）、筒状结构（3）、输出连接板（9），基本弹簧（2）的下端与基座（1）相联接，筒状结构（3）的下端与基座（1）相联接，筒状结构（3）位于基本弹簧（2）内部并与基本弹簧（2）并联，其特征在于：还包括压电陶瓷作动器（11）、摩擦块（4）、压电陶瓷输出轴（5）、压电陶瓷防护罩（10）；

基本弹簧（2）的上端与压电陶瓷防护罩（10）相联接；筒状结构（3）的上端与压电陶瓷作动器（11）相联接；压电陶瓷作动器（11）安装在压电陶瓷防护罩（10）的里面，压电陶瓷作动器（11）安装有二根以上的压电陶瓷输出轴（5），压电陶瓷防护罩（10）侧面上开有与压电陶瓷输出轴（5）相对应的长通孔（24），长通孔（24）的周围为摩擦面（23），压电陶瓷输出轴（5）另一端穿过长通孔（24）至摩擦面（23）的外侧，摩擦块（4）固定安装在摩擦面外侧的压电陶瓷输出轴（5）上，输出连接板（9）固定安装在压电陶瓷防护罩（10）上。

2.根据权利要求1所述的主动隔振装置，其特征在于：基本弹簧（2）的下端通过第四法兰（15）与基座（1）相联，基本弹簧（2）的上端通过第二法兰（13）与压电陶瓷防护罩（10）相联；筒状结构（3）的下端通过第三法兰（14）与基座（1）相联，筒状结构（3）的上端通过第一法兰（12）与压电陶瓷作动器（11）相联。

3.根据权利要求1所述的主动隔振装置，其特征在于：筒状结构（3）为主动弹簧。

4.根据权利要求3所述的主动隔振装置，其特征在于：长通孔（24）的长度大于主动弹簧（3）的最大变形量。

5.根据权利要求1-4之一所述的主动隔振装置，其特征在于：输出轴（5）在长通孔（24）中的起始位置位于靠近长通孔（24）底部的位置。

6.根据权利要求1-4之一所述的主动隔振装置，其特征在于：摩擦块（4）与压电陶瓷防护罩（10）的摩擦面之间有初始间隙，摩擦块（4）与压电陶瓷防护罩（10）的摩擦面之间的初始间隙可以调节。

7.根据权利要求1-4之一所述的主动隔振装置，其特征在于：所述摩擦面进行渗碳处理，所述的摩擦块（4）进行表面阳极化处理。

8.根据权利要求1-4之一所述的主动隔振装置，其特征在于：摩擦块（4）的厚度t稍大于压电陶瓷输出轴（5）伸出防护罩（10）的摩擦面的长度。

9.根据权利要求1-4之一所述的主动隔振装置，其特征在于：压电陶瓷作动器（11）的外侧面与压电陶瓷防护罩（10）内侧面保持平行。

10.根据权利要求1-4之一所述的主动隔振装置，其特征在于：压电陶瓷作动器（11）的外侧面与压电陶瓷防护罩（10）内侧面之间的间隙相同。

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