CN104373494B

CN104373494B - 一种多自由度金属橡胶阻尼器

Info

Publication number: CN104373494B
Application number: CN201410532305.7A
Authority: CN
Inventors: 郑钢铁; 王栋; 王兴; 邢建伟; 邹元杰; 刘绍奎; 葛东明
Original assignee: Tsinghua University; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Tsinghua University; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: CN104373494A

Abstract

本发明涉及一种多自由度金属橡胶阻尼器，属于机械振动隔离领域，该阻尼器包括基础连接器、金属橡胶棒组A、载荷连接器、金属橡胶棒组B、套筒组、螺丝钉组、螺母组；基础连接器与载荷连接器上下同轴设置，金属橡胶棒组B设置在载荷连接器内，金属橡胶棒组A设置在基础连接器内并插入到载荷连接器内，金属橡胶棒组A与金属橡胶棒组B中相应位置的金属橡胶棒同轴；套筒组的套筒插入金属橡胶棒组A与金属橡胶棒组B中的各金属橡胶棒的中孔中，螺丝钉组的各螺丝钉插入到套筒组的各套筒中并与螺母组的各螺母螺合构成一个整体。本发明采用金属棒提供阻尼实现了无论基础与载荷之间发生何种相对运动；非常适合在航天结构上应用。

Description

一种多自由度金属橡胶阻尼器

技术领域

本发明属于机械振动隔离技术领域，具体涉及一种适用于空间结构的具有全向隔振性能的阻尼装置。

背景技术

现代卫星通常会包含大量大型柔性结构，例如太阳能电池帆板、柔性天线等，星上有效载荷也对工作状态的动力学环境提出了越来越高的要求。由于卫星在轨运行阶段仍要承受许多振动激励，这些振动激励虽然量级不大，但是却很可能影响到关键部件的正常工作。例如有可能引起柔性部件的姿态控制精度，或者影响到光学成像部件的成像精度。在卫星的关键部件上增加阻尼是抑制这些部件振动的最直接和最有效的方式。一个成功的实例是美国对哈勃望远镜太阳能电池帆的改造，通过在太阳帆与望远镜本体的连接处设置阻尼器，成功地抑制了帆板振动诱发的望远镜本体振动。因此，针对大型空间结构的振动阻尼抑制技术研究将具有重要的工程实际意义。

在空间结构阻尼器中，常用的阻尼器是流体阻尼器和粘弹性材料阻尼器。从结构上而言，流体阻尼器结构复杂，一般由缸筒、活塞、阻尼通道、阻尼介质(粘滞流体)和导杆等部分组成。当活塞与缸筒之间发生相对运动，活塞推动流体从阻尼通道中通过，从而产生阻尼力。可见，流体阻尼器只能在活塞和缸筒发生可以相对运动的方向上起作用。粘弹性材料阻尼器常采用“三明治”式剪切结构，最外两侧为约束层，中间为粘弹性材料阻尼层，发生相对运动的两个结构分别牵连两侧约束层运动，使得中间层粘弹性材料发生剪切变形来耗散振动能量。可见，粘弹性材料阻尼器只在可以使阻尼层发生剪切变形的相对运动方向上提供较大阻尼，适用于两个相对扭转的结构之间。

另外，从阻尼材料而言，流体或粘弹性材料均对使用环境要求严格，需要采取额外的防护设计，不能提供长期可靠的动力学环境。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种多自由度金属橡胶阻尼器，本发明完全由金属材料构成，避免了传统空间阻尼器采用橡胶、粘弹性材料或者流体作为阻尼材料时，对环境适应能力差的固有缺点。可以在各个方向上提供大阻尼来加快隔振对象的振动能量衰减。

本发明提出的多自由度金属橡胶阻尼器，其特征在于，该阻尼器包括基础连接器、金属橡胶棒组A、载荷连接器、金属橡胶棒组B、套筒组、螺丝钉组、螺母组；各部件的连接关系为：基础连接器与载荷连接器上下同轴设置，金属橡胶棒组B设置在载荷连接器内，金属橡胶棒组A设置在基础连接器内并插入到载荷连接器内，金属橡胶棒组A与金属橡胶棒组B中相应位置的金属橡胶棒同轴；套筒组的套筒插入金属橡胶棒组A与金属橡胶棒组B中的各金属橡胶棒的中孔中，螺丝钉组的各螺丝钉插入到套筒组的各套筒中并与螺母组的各螺母螺合，使各部件构成一个整体。

本发明的优点在于：

(1)本发明无论承载对象相对卫星平台发生任何运动，均可由金属橡胶提供阻尼。

(2)本发明的阻尼效果显著，本发明的结构阻尼系数可达0.2以上。

(3)本发明完全由金属材料构成，避免了传统空间阻尼器采用橡胶、粘弹性材料或者流体作为阻尼材料时，对环境适应能力差的固有缺点。对空间环境的适应能力强。

(4)本发明采用金属橡胶棒组的可设计性强，可以针对不同场合，对金属橡胶的密度、刚度、阻尼系数通过加工工艺进行调节，以达到设计目标。因而非常适合在航天结构上应用。

附图说明

图1是本发明的多自由度金属橡胶阻尼器结构分解示意图；

图2是本发明的多自由度金属橡胶阻尼器剖面示意图；

图3是本发明的基础连接器剖面示意图；

图4是本发明的载荷连接器剖面示意图；

图5是本发明的套筒剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提出的多自由度金属橡胶阻尼器，其特征在于，包括基础连接器1、金属橡胶棒组A2、载荷连接器3、金属橡胶棒组B4、套筒组5、螺丝钉组6、螺母组7；各部件的连接关系为：基础连接器1与载荷连接器3上下同轴设置，金属橡胶棒组B4设置在载荷连接器3内，金属橡胶棒组A2设置在基础连接器1内并插入到载荷连接器3内，金属橡胶棒组A2与金属橡胶棒组B4中相应位置的金属橡胶棒同轴；套筒组5的套筒插入金属橡胶棒组A2与金属橡胶棒组B4中的各金属橡胶棒的中孔中，螺丝钉组6的各螺丝钉插入到套筒组5的各套筒中并与螺母组7的各螺母螺合，使各部件构成一个整体，如图2所示。

本阻尼器的工作原理：通过基础连接器1下端法兰连接卫星平台8，通过载荷连接器3上端法兰连接承载对象9。如图2所示，套筒组5固定于基础连接器1上，二者可视为一个整体。当承载对象相对卫星平台向上运动时，金属橡胶棒组B4受到载荷连接器3上沉孔3-4底面与套筒组5顶座5-1底面的挤压；当承载对象9相对卫星平台8向上运动时，金属橡胶棒组A2受到载荷连接器3下沉孔3-3顶面与基础连接器1沉孔1-3-1底面的挤压；当承载对象9相对卫星平台8发生横向运动时，金属橡胶棒组A2上部受到载荷连接器3下沉孔3-3侧壁与套筒组5柱身5-2侧壁的挤压，金属橡胶棒组B4受到载荷连接器上沉孔3-4侧壁与套筒组5柱身5-2侧壁的挤压；当承载对象9相对卫星平台8发生弯曲或扭转运动时，金属橡胶棒组A2受到载荷连接器3下沉孔3-3侧壁、基础连接器1沉孔1-3-1侧壁与套筒组5柱身5-2侧壁的挤压。总之，无论当承载对象相对卫星平台发生何种运动时，总会引起金属橡胶棒的变形，使金属橡胶棒产生阻尼效果。因此，本发明在多个自由度上均具有阻尼。

上述各部件的具体实现方式及功能分别详细说明如下：

如图3所示，本实施例的基础连接器1由下端环形法兰1-1和上端凸台1-2构成一个整体；上端的凸台1-2外缘为梅花形，以减轻重量，也可做成圆形等其它形状；中心开有减重孔1-4；凸台1-2一周开有数个同轴台阶孔1-3(本实施例中每个花瓣开有一个台阶孔，孔的数量与金属橡胶棒组的金属橡胶棒的数量相同，视使用场合而定)，其中上层孔1-3-1的直径与金属橡胶棒组A2的金属橡胶棒直径相配合，用于安装金属橡胶棒组A2，中层孔1-3-2的直径与固定套筒组5的套筒直径相配合，用于固定套筒组5，底层第一通孔1-3-3的直径与螺丝钉组6的螺丝钉直径相配合，用于穿过螺丝钉组6；下端的环形法兰1-1，用以连接卫星平台8，下端环形法兰1-1底部形成凹面1-5，用以为螺母组7或螺丝钉组6安装垫片留出安装空间。

如图1、2所示，金属橡胶棒组A2的橡胶棒下端插入基础连接器1台阶孔上层孔1-3-1，上端插入载荷连接器3下端的沉孔3-3，两端的插入长度一般相同；各金属橡胶棒中心有孔以穿过套筒组5。

如图4所示，本实施例的载荷连接器3由上端环形法兰3-1和下端凸台3-2构成一个整体；上端环形法兰的直径、下端凸台外形尺寸与基础连接器相同或不相同；上端的环形法兰3-1，用以连接卫星平台9，上端环形法兰中央形成凹面3-6，用以为螺丝钉组6或螺母组7留出安装空间；下端的凸台3-2外缘为圆形，也可做成梅花型等其它形状；中心为减重孔3-7；凸台3-2一周开有数个同轴不同直径的孔(与基础连接器台阶孔的数量相同，且各对应位置的孔同轴)，包括凸台3-2下端的沉孔3-3，用于插入金属橡胶棒组A2的金属橡胶棒，沉孔3-3的孔径与金属橡胶棒组A2的金属橡胶棒的直径相配合；上端对应位置的沉孔3-4，用于插入金属橡棒胶组B4的金属橡胶棒，沉孔3-4的孔径与金属橡胶棒组B4的金属橡胶棒的直径相配合；两组沉孔之间的第二通孔3-5，用于穿过套筒组5的套筒，第二通孔3-5的孔径与套筒相配合。

载荷连接器3与基础连接器1之间留有一定间隙，约5mm，也可根据实际使用场合的变形量而定，用以避免二者发生相对运动时发生干涉。

如图1所示，金属橡胶棒组B4整体或大部分插入载荷连接器3上端的沉孔3-4中；各金属橡胶棒的中心穿过套筒组5；上端与套筒组5顶座5-1下端接触。

金属橡胶棒组B4的外形、密度与金属橡胶棒组A2相同或不同，但数量相同，各相对位置的两橡胶棒同轴，本实施例的所述两种金属橡胶棒组的金属橡胶棒均为开有中心孔的圆柱形阻尼部件，本发明采用金属橡胶棒由金属丝经缠绕、拉伸、编制、模压成型等过程加工而成，具有抗冲击性能好、抗老化、质量轻、真空不挥发、不惧辐射、耐空间的高温低温环境、寿命长、可靠性高以及免维护等优点。

如图5所示，本实施例套筒组的各套筒由顶座5-1与柱身5-2组成，中心贯穿有第三通孔5-3，以穿过螺丝钉组6。如图1所示，套筒组5自上而下依次穿过金属橡胶棒组B4、载荷连接器3和金属橡胶棒组A2，下端与基础连接器1中层孔1-3-2底部接触，顶座5-1下端与金属橡胶棒组B4顶部接触。

本实施例的螺丝钉组和螺母组采用常规的螺丝钉和螺母组合，尺寸规格与套管相配套；如图1所示，螺丝组6自下而上穿过基础连接器1的第一通孔1-3-3与套筒组5的第三通孔5-3，与螺母组7一起将套筒组5固定于基础连接器1上。

本实施例的金属橡胶组A2与套筒组5之间、金属橡胶组B4与套筒组5之间、金属橡胶组A2与基础连接器1上层孔1-3-1之间、金属橡胶组A2与载荷连接器下沉孔3-3之间、金属橡胶组B4与载荷连接器上沉孔3-4之间均应采用过盈配合。

本实施例除两组金属橡胶棒组的金属橡胶棒采用金属橡胶阻尼材料，螺丝钉组、螺母组的螺钉、螺母采用通用金属材料外，套筒组的套筒采用不锈钢等弹性模量比较大的材料，基础连接器、载荷连接器可采用不锈钢、铝合金或钛合金等金属材料，即所有部件均由金属材料构成，避免了传统空间阻尼器采用橡胶、粘弹性材料或者流体作为阻尼材料时，对环境适应能力差的固有缺点。

本发明的基础连接器、载荷连接器的总体尺寸、形状，金属橡胶棒组的金属橡胶棒的数量均可根据实际应用场合的需要进行确定。即任何根据本发明上述各部件在尺寸、形状及金属橡胶棒的数量的改变均应在本发明的保护范畴之内。

Claims

1.一种多自由度金属橡胶阻尼器，其特征在于，该阻尼器包括基础连接器、金属橡胶棒组A、载荷连接器、金属橡胶棒组B、套筒组、螺丝钉组、螺母组；各部件的连接关系为：基础连接器与载荷连接器上下同轴设置，金属橡胶棒组B设置在载荷连接器内，金属橡胶棒组A设置在基础连接器内并插入到载荷连接器内，金属橡胶棒组A与金属橡胶棒组B中相应位置的金属橡胶棒同轴；套筒组的套筒插入金属橡胶棒组A与金属橡胶棒组B中的各金属橡胶棒的中孔中，螺丝钉组的各螺丝钉插入到套筒组的各套筒中并与螺母组的各螺母螺合，使各部件构成一个整体；

所述基础连接器由下端环形法兰和上端凸台构成一个整体；上端的凸台外缘为梅花形，以减轻重量；中心开有减重孔；凸台一周开有数个同轴台阶孔，其中上层孔用于安装金属橡胶棒组A，中层孔用于固定套筒组，底层通孔用于穿过螺丝钉组；下端的环形法兰，用以连接卫星平台，下端环形法兰底部形成中央凹面，用以为螺母组或螺丝钉组安装垫片留出安装空间。

2.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，所述载荷连接器由上端环形法兰和下端凸台构成一个整体；上端环形法兰的直径、下端凸台外形尺寸与基础连接器相同或不相同；上端的法兰用以连接卫星平台，上端环形法兰上部形成中央凹面，用以为螺丝钉组或螺母组留出安装空间；下端的凸台外缘为圆形；中心为减重孔；凸台一周开有数个同轴不同直径的孔，包括凸台下端的沉孔(3-3)，用于插入金属橡胶棒组A的金属橡胶棒；上端对应位置的沉孔用于插入金属橡棒胶组B的金属橡胶棒；该两组沉孔之间的通孔用于穿过套筒组的套筒。

3.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，所述两种金属橡胶棒组A、B均为开有中心孔的圆柱形阻尼部件，该金属橡胶棒组A、B的金属橡胶棒采用金属橡胶由金属丝经缠绕、拉伸、编制、模压成型各过程加工而成。

4.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，所述套筒组的各套筒由顶座与柱身组成，中心贯穿有通孔，用以穿过螺丝钉组，套筒组自上而下依次穿过金属橡胶棒组B、载荷连接器和金属橡胶棒组A，下端与基础连接器中层孔底部接触，顶座下端与金属橡胶棒组B顶部接触。

5.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，所述套筒组的套筒采用弹性模量大的不锈钢材料，基础连接器、载荷连接器采用不锈钢、铝合金或钛合金任一种金属材料，螺丝钉组的螺钉、螺母组的螺母采用通用的金属材料。