CN103322105A - 一种仿生空气弹簧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生空气弹簧系统，包括被动减振组件、变刚度变阻尼组件、抗弯扭振动组件、孔径调节机构和承载平台，被动减振组件安装于环境基础上，变刚度变阻尼组件设置于被动减振组件上部，抗弯扭振动组件位于变刚度变阻尼组件周围，且抗弯扭振动组件下端固定于被动减振组件中，上端套设承载平台，变刚度变阻尼组件上端与承载平台下表面接触。本发明利用调节丝杠传动机构来节阻尼孔孔径开启大小，改变主、副气室之间的流体流量和流速，实现空气弹簧系统的刚度值和阻尼值定量可调。同时沿仿生空气弹簧系统轴线均布设置三个静压气体轴承构成抗弯扭振动组件模拟啄木鸟双爪和尾部的三点支撑姿态，提高仿生空气弹簧的工程适应性和减振效率。

Description

一种仿生空气弹簧系统

技术领域

本发明涉及振动控制技术和仿生技术领域，尤其是一种仿生空气弹簧系统。

背景技术

目前，振动防护、冲击隔离涉及到社会生产、生活的方方面面。近年来，减振抗冲技术所面临的挑战更加严峻，一方面不同工况条件下各种随机因素的激励和耦合使机械设备所处的动力学环境极为复杂，另一方面精密、超精密加工、航空航天等领域设备对减振部件的性能要求更高。除此之外，生活质量的提高使人们对交通运输工具的行驶平顺性和乘坐舒适度要求更为苛刻。因此，为这些设备设计性能更加优异的减振装置是十分必要的。空气弹簧作为近几年蓬勃发展的一种隔振元件，不仅具有较大的承载能力，而且具有较低的刚度，而弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率，远离环境的干扰频率，得到较好的隔振效果，因此在交通运输工具中应用愈加广泛。

空气弹簧在公路、铁路车辆，工程机械，医疗器械，航空航天，建筑物基础等领域快速增长的需求促使科研和工程人员一方面对传统的囊式和膜式空气弹簧进行改进和结构优化，另一方面开发新型的空气弹簧。如专利CN102834640A所描述的空气弹簧是由弹性体材料制成的柱形弹簧气囊，主要用于机动车行走机构的弹性车轮悬架系统。专利CN102269234A所描述的一种隔膜式辅助气室调节动刚度的空气弹簧，可通过调节空气弹簧动刚度实现与整车的匹配，提高车辆的平顺性和舒适性。专利CN103075456A发明提供的一种空气弹簧，能够通过有效的发挥止动部件的弹性而提高放气时的缓冲性。

除此之外，CN103062269A所发明的扣压式空气弹簧，采用扣压式结构，通过上、下卡环的收缩将橡胶气囊与上盖和活塞连接为一体，既能保证空气弹簧的强度，也便于调节空气弹簧的工作行程。专利CN102606664A发明的一种基于磁流变技术的自适应空气弹簧可以根据车身负载和实际工作路面激励状况，自动实时地调节其刚度和阻尼值，提高车辆的减振降噪性能，改善乘坐舒适性和操作稳定性。

《中国机械工程》第17卷第21期2006年11月上半月第2278-2281公开了一种《微制造平台隔振系统仿生设计》，其模仿啄木鸟头部构造，该隔振系统主要由1个平台、4个空气弹簧、8个超磁致伸缩致动器、6个伺服型传感器、3个高度控制阀、1套控制系统组成，在微制造平台和基础之间采用被动隔振与主动隔振相结合的混合隔振技术，以空气弹簧作为被动隔振元件(对应于鸟类头部的外脑膜外连接的软骨和肌肉群以及外脑膜和脑髓之间的空隙)，从而使地面传来的各种中高频扰力得到有效的隔离；以超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件(对应于鸟类头部外脑膜和脑髓之间连接的神经和肌肉)，通过与检测系统一起构成闭环主动振动控制系统，可以有效地消除由基础传递过来的各种频率范围的振动扰力，即使对于被动隔振系统难以消除的低频或超低频扰力，也能进行有效地隔离，最终将放置在微制造隔振平台上的微制造设备(对应于啄木鸟的脑髓)的振动控制在允许的范围内。但是该文件仅给出了仿生力学模型及整体构造框架方案，并没有给出具体的零部件结构，且给出的隔振装置是由平台、空气弹簧、超磁致伸缩致动器、伺服型传感器、高度控制阀、控制系统构成的主动和半主动隔振系统，结构相对复杂，而且致动器、传感器等的运行都需要消耗能量。

尽管现在空气弹簧种类繁多，结构各样，但多数发明是针对特定的载荷类型（如单一方向的冲击、振动）来设计的，很难移植适用于其它多种载荷共同作用，如伴随弯曲或扭转等耦合激励的复杂工况，因此应用场合选择性较强，实际工程应用受到很大限制。另外空气弹簧的一次设计很难达到较理想的隔振效果，需要反复修改设计并试制产品，费用高，周期长。尽管也出现了可调节刚度的空气弹簧（CN102269234A），但是并未描述或给出结构及刚度的可调范围及其可适应的频率及载荷特性，难以实现量化调节。从仿生学角度看，啄木鸟头部组织的变刚度、变阻尼特性对于减振和隔振起到了不可忽视的显著作用，而目前未见有能实现刚度和阻尼值同时定量调节的空气弹簧减振结构。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术应用场合局限、设计一旦给定刚度和阻尼很难调节问题，基于仿生学和非线性动力学原理，借鉴自然界具有优异减振抗冲性能的啄木鸟头部生态结构，综合考虑不同的激励环境、载荷类型、大小、频域特性及减振器件、减振要求进行仿生模块化设计，提供一种仿生空气弹簧系统，利用空气弹簧的自身结构、气体及其流体力学特性，通过阻尼孔和丝杠传动调节机构的调节作用来模拟实现头部肌肉等组织的变刚度、变阻尼特性，并应用流体动力学和非线性阻尼理论计算设计空气弹簧结构、主、副气室气体容积、初始压力，以及阻尼孔大小、流体流量、流速的定量调节，来实现空气弹簧系统的刚度值和阻尼值的定量可调，设置三个均布的静压气体轴承构成抗弯扭振动组件模拟啄木鸟双爪和尾部的三点支撑姿态，可缓解非对称激励产生的弯曲或扭转等复杂耦合干扰振动，达到空气弹簧根据激励环境、被隔离构件的动态特性等进行量化调节的目的，减少传统空气弹簧对应用场合的局限性，满足宽频域、隔离冲击振动并能兼容有弯曲或扭转等耦合激励的减振隔振要求，大幅度提高仿生空气弹簧的工程适应性和减振效率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种仿生空气弹簧系统，包括被动减振组件、变刚度变阻尼组件、抗弯扭振动组件、孔径调节机构和承载平台，被动减振组件安装于环境基础上，变刚度变阻尼组件设置于被动减振组件上部，抗弯扭振动组件位于变刚度变阻尼组件周围，且抗弯扭振动组件下端固定于被动减振组件中，上端套设承载平台，变刚度变阻尼组件上端与承载平台下表面接触。

所述被动减振组件包括机座，机座下部设有硬质橡胶垫，硬质橡胶垫设置于环境基础上。

所述机座为圆形或方形。

所述承载平台为圆形或方形。

所述硬质橡胶垫为圆形或方形。

所述变刚度变阻尼组件包括气缸，气缸中有上下通透的主气室，主气室内部设有橡胶气囊，橡胶气囊的上部设有活塞，活塞上端与承载平台下表面接触，气缸下端固定于端盖上，端盖周边固定于开孔板上，开孔板下部密封连接有副气室，副气室下端设置于被动减振组件的机座上；端盖与开孔板之间有空间，空间内设有与开孔板上的阻尼孔相对应的孔径调节机构。

所述开孔板上的阻尼孔与副气室相通。

所述孔径调节机构包括横向穿过端盖边缘及其与开孔板之间空间的调节丝杠，所述调节丝杠为一种两端对称开设左、右旋螺纹副的双向丝杠；调节丝杠两侧的左、右旋螺纹上分别对应套设有左、右旋丝杠螺母，左、右旋丝杠螺母上分别对应安装有相配合的左、右调节压板，左、右调节压板活动设置于开孔板的阻尼孔上方。这样丝杠的旋转就会使两个丝杠螺母并带动左、右调节压板向相反或相对方向运动，调节丝杠的旋转运动就转化为左、右调节压板的直线运动，遮挡或显露下部的开孔板，实现阻尼孔的扩大和缩小，并最终实现系统的刚度和阻尼变化。

所述左、右调节压板通过紧固螺栓分别对应地安装于左、右旋丝杠螺母上。

所述抗弯扭振动组件包括三个沿变刚度变阻尼组件周围均匀分布的连接轴，每根连接轴的下端均固定于机座上，上端通过静压气体轴承安装有承载平台。这样可大大降低非对称激励产生的弯曲和扭转振动。

本发明通过借鉴具有优良减振抗冲性能的啄木鸟头部的生态结构进行设计，即啄木鸟的头盖骨十分坚固，在大脑和头盖骨之间有一层海绵状骨骼，内含液体脑脊液，可循环流动，对外力能起缓冲和消震作用，它的脑壳周围还长满了具有减振作用的肌肉，而且啄击树木时双爪和尾部形成三点支撑姿态，能很好的保证喙尖和头部始终保持在一条直线上，使啄木鸟在啄木时头部严格地进行直线运动。本发明借鉴前期对生物组织减振机理的研究，将生物减振组织的“变刚度、变阻尼、自适应、自调节”思想应用于工程实际场合。本发明利用硬质橡胶垫、静压气体轴承、变刚度结构和孔径调节机构等材料或结构进行模块化设计形成了一种仿生空气弹簧系统。该仿生空气弹簧系统利用三个均布的静压气体轴承模拟双爪和尾部的三点支撑姿态，利用主副气室之间空气的往复流动模仿啄木鸟头盖骨内的脑脊液运动，利用阻尼孔和双向丝杠传动机构模拟头部肌肉的变刚度、变阻尼特性。通过这些机构可实现该仿生空气弹簧的变刚度、变阻尼，达到空气弹簧根据激励环境、被隔离构件的动态特性等进行个性化调节的目的，满足宽频域、冲击振动的隔离要求

本发明用于抵抗振动、缓和冲击的仿生空气弹簧系统，尤其适用于光学仪器、电子设备等具有精密减振要求的设备以及对乘坐舒适性要求较高的交通运输工具中，对中高频、低频或大冲击振动以及轻微的弯曲和扭转振动具有良好的减振效果。具有设备造价低、结构和工艺简单、应用场合广等特点。本发明提供的仿生空气弹簧系统模仿啄木鸟头部的生态结构，在设计时充分考虑工程实际应用条件下精密减振的要求，在组成结构中增加了实现变刚度和变阻尼功能的孔径调节机构，实现刚度和阻尼变化。不仅在特定载荷类型情况下，空气的流动会使结构自身的刚度值和阻尼值变化，而且当载荷类型变化时，还可以通过旋转孔径调节机构，改变阻尼孔的大小，实现变刚度和变阻尼，从而满足不同载荷类型的需求。

本发明的有益效果是，

1.仿生空气弹簧系统可根据被隔离构件和外部载荷的类型、大小及频域特性，基于仿生学原理，应用流体动力学理论和非线性阻尼理论预先计算设计空气弹簧主、副气室的结构、容积、气体压力、阻尼孔的大小和可调范围，在实际应用过程中根据隔振效果和载荷动态状况通过孔径调节机构实时调节阻尼孔的大小，调节仿生空气弹簧系统的刚度值和阻尼值，实现根据激励环境、被隔离构件的动态特性等进行量化调节的目的，因此所适用的载荷类型、频率特性更加广泛，明显降低空气弹簧工程应用场合的局限性；

2.采用仿生与模块化设计方法，利用振动理论和非线性阻尼理论并结合优化设计理论将被动减振组件、变刚度变阻尼组件、抗弯扭振动组件等功能模块设计计算优化匹配，形成仿生空气弹簧系统，设计紧凑，结构简单，可靠。无作动部件，耗能低，相对于有主动控制的减振结构，可大幅度降低制造成本和运行成本，节能，经济实用；

3.沿仿生空气弹簧轴线环向均布的三个静压气体轴承构成抗弯扭振动组件可很好的缓解非对称激励产生的弯曲或扭转等耦合振动，不仅扩大了该系统的工程适用场合，也大大提升了系统的安全性和可靠性；

4.仿生空气弹簧系统设计时，针对不同外部载荷的类型和大小，运用仿生学和流体动力学理论计算设计匹配主、副气室的空气压力、流量、流速及调节变化范围等参数，当主副气室各参数设计得当，结构件强度设计满足要求时，所承受的载荷可达上百千牛。

5.该仿生空气弹簧不仅可以用于交通运输工具的乘坐舒适性场合，而且还可以用于精密光学仪器、电子仪器设备、微机电系统等减振及精度要求较高的场合；

6.本发明的仿生空气弹簧系统无作动部件，耗能低、不产生环境污染。

附图说明

图1为本发明总体结构外观图；

图2为本发明总体结构剖视图；

图3（a）为图2中阻尼孔最小开孔状态A向视图；

图3（b）为图2中阻尼孔最大开孔状态A向视图；

图4为本发明中左、右调节压板的结构示意图；

图5为本发明中开孔板结构示意图；

图6为本发明的一个实施例结构示意图。

其中Ⅰ-被动减振组件，Ⅱ-抗弯扭振动组件，Ⅲ-变刚度变阻尼组件，Ⅳ-孔径调节机构；1-基础，2-硬质橡胶垫，3-机座，4-紧固螺母，5-连接轴，6-副气室，7-调节丝杠，8-气缸，9-承载平台，10-静压气体轴承，11-活塞，12-端盖，13-开孔板，14-锁紧螺钉，15-橡胶气囊，16-左调节压板，17-右调节压板，18-主气室，19-端盖螺钉，20-阻尼孔，21-丝杠螺母，22-紧固螺栓，23-精密电子仪器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一般地，定义物体抵抗变形的能力为刚度。刚度的物理意义为物体产生单位变形所需的外力的大小。以一有阻尼弹簧质量系统为例，其描述振动问题的运动微分方程的一般形式为

式中。m，c，k分别为系统的质量、阻尼和刚度系数，

x(t)，f(t)分别为系统t时刻的加速度、速度、位移和外部激励，t为时间。当弹簧产生了位移x，所需的力可表述为F=kx，k即为刚度。在运动过程中物体的刚度不变，该刚度为定值，刚度在运动过程中不断变化时，则该刚度为变刚度。阻尼c是外界作用或系统本身固有原因引起的振动幅度逐渐下降的特性的量化表征。同理，在运动过程中系统的阻尼值不变，该阻尼为定值，阻尼值在运动过程中不断变化时，则该阻尼为变阻尼。

如图1所示，本发明提供的一种仿生空气弹簧系统由被动减振组件Ⅰ、变刚度变阻尼组件Ⅲ、抗弯扭振动组件Ⅱ、孔径调节机构Ⅳ和承载平台9等构成。

参阅图1、图2，所述被动减振组件Ⅰ由机座3和安装在环境基础1和机座3之间的硬质橡胶垫2组成。变刚度变阻尼组件Ⅲ包括气缸8，气缸8中有上下通透的主气室18，主气室18中的下部设有橡胶气囊15，橡胶气囊15的上部设有活塞11，活塞11上端与承载平台9下表面接触，气缸8下端通过锁紧螺钉14固定于端盖12上，端盖12周边通过端盖螺钉19固定于开孔板13上，开孔板13下部密封连接有副气室6，副气室6下端设置于机座3上；端盖12与开孔板13之间有空间，空间内设有与开孔板13上的阻尼孔20相对应的孔径调节机构。副气室6密闭构成压力腔，主气室18和辅助气室6之间开有阻尼孔20并安装有孔径调节机构。

参阅图3、图4和图5，孔径调节机构Ⅳ包括调节丝杠7、两个丝杠螺母21、开孔板13、左调节压板16、右调节压板17和紧固螺栓22等组成，开孔板13上开有阻尼孔20。调节丝杠7横向穿过端盖12边缘及其与开孔板13之间空间，调节丝杠7两侧的左、右旋螺纹上分别对应套设有左、右旋丝杠螺母21，左、右旋丝杠螺母21上分别对应安装有相配合的左调节压板16和右调节压板17，左调节压板16和右调节压板17设置于开孔板13的阻尼孔20上方。

参阅附图3，在承载平台受力过程中，可根据减振要求，旋转调节丝杠7，这样随着调节丝杠7的旋转就会使安装在调节丝杠运动副两侧的两个丝杠螺母21并带动左、右调节压板16、17向相反或相对方向运动，这样调节丝杠7的旋转运动就转化为左、右调节压板16、17的直线运动，遮挡或显露下部的开孔板13，实现阻尼孔20的扩大和缩小，并最终实现系统的刚度和阻尼变化，从而调节仿生空气弹簧系统的刚度和阻尼大小，实现仿生空气弹簧系统刚度和阻尼的量化调节，满足不同场合的需求。

三个连接轴5沿仿生空气弹簧对称轴环向均匀分布，每根连接轴5下端通过紧固螺母4安装于机座3上，每根连接轴5上部与承载平台9之间安装有静压气体轴承10，从而构成抗弯扭振动组件Ⅱ，静压气体轴承10的调节作用将大大降低非对称激励产生的弯曲和扭转振动。

在实际应用场合，首先根据外部载荷合理设计主气室18和副气室6内部充填空气压力并预置阻尼孔20大小，这样在承载平台9受力过程中，空气可通过阻尼孔20在主气室18和副气室6内流动，从而消耗振动能量，达到衰减振动的目的。若减振不满足要求，可通过旋转调节丝杠7修正阻尼孔20的大小，直到获得理想的减振效果。

这样，安装于基础1和机座3之间的硬质橡胶垫2和主副气室18、6构成的变刚度变阻尼组件Ⅲ就能够相互协同工作，有效的衰减较宽频域的振动，由于较大的垂向支撑力因此也能够抵抗大冲击振动。

如附图6所示，为本发明在电子仪器中的一个具体实施例，精密电子仪器23安装于承载平台9上，这样可有效降低基础振动对精密电子仪器的影响，提高工作精度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种仿生空气弹簧系统，其特征是，包括被动减振组件、变刚度变阻尼组件、抗弯扭振动组件、孔径调节机构和承载平台，被动减振组件安装于环境基础上，变刚度变阻尼组件设置于被动减振组件上部，抗弯扭振动组件位于变刚度变阻尼组件周围，且抗弯扭振动组件下端固定于被动减振组件中，上端套设承载平台，变刚度变阻尼组件上端与承载平台下表面接触。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述被动减振组件包括机座，机座下部设有硬质橡胶垫，硬质橡胶垫设置于环境基础上。

3.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述机座为圆形或方形。

4.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述承载平台为圆形或方形。

5.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述硬质橡胶垫为圆形或方形。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述变刚度变阻尼组件包括气缸，气缸中有上下通透的主气室，主气室中的下部设有橡胶气囊，橡胶气囊的上部设有活塞，活塞上端与承载平台下表面接触，气缸下端固定于端盖上，端盖周边固定于开孔板上，开孔板下部密封连接有副气室，副气室下端设置于被动减振组件上；端盖与开孔板之间有空间，空间内设有与开孔板上的阻尼孔相对应的孔径调节机构。

7.如权利要求6所述的系统，其特征是，所述开孔板上的阻尼孔与副气室相通。

8.如权利要求6所述的系统，其特征是，所述孔径调节机构包括横向穿过端盖边缘及其与开孔板之间空间的调节丝杠，所述调节丝杠两侧的左、右旋螺纹上分别对应套设有左、右旋丝杠螺母，左、右旋丝杠螺母上分别对应安装有相配合的左、右调节压板，左、右调节压板设置于开孔板的阻尼孔上方。

9.如权利要求8所述的系统，其特征是，所述左、右调节压板通过紧固螺栓分别对应地安装于左、右旋丝杠螺母上；旋转调节丝杠就会使安装在调节丝杠运动副两侧的两个丝杠螺母相对或相背移动，并带动左、右调节压板向相反或相对方向运动，这样调节丝杠的旋转运动就转化为左、右调节压板的直线运动，遮挡或显露下部的开孔板，实现阻尼孔的扩大和缩小，并最终实现系统的刚度和阻尼变化，同时应用流体动力学和非线性阻尼理论计算设计空气弹簧结构、主、副气室气体容积、初始压力，以及阻尼孔大小、流体流量、流速以及可调范围，实现仿生空气弹簧系统刚度和阻尼的量化调节。

10.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述抗弯扭振动组件包括三个沿变刚度变阻尼组件周围均匀分布的连接轴，每根连接轴的下端均固定于机座上，上端通过静压气体轴承安装有承载平台。

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