CN104963984B - 一种纵向垂向二维集成半主动可控减振装置 - Google Patents

一种纵向垂向二维集成半主动可控减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是在基座上沿纵向水平设置固定支架,运动支架位于固定支架上方,固定支架与运动支架由一对平行设置的摇臂铰链连接构成处在竖直平面中的平行四边形机构,旋转式磁流变阻尼器固定在基座上,并有被动齿轮固定在其轴端;摇臂摆动的角位移通过主动齿轮和被动齿轮传递给旋转式磁流变阻尼器,角加速度传感器用于获取运动支架的振动状态并反馈给旋转式磁流变阻尼器的控制器,控制器实时响应并控制旋转式磁流变阻尼器的输出阻尼力以实现纵向垂向二维振动状态的集成控制。本发明实现了一种纵向垂向二维振动的集成半主动控制系统结构,简化了二维振动控制系统结构,能够有效降低系统成本。

Description

一种纵向垂向二维集成半主动可控减振装置
技术领域
本发明涉及振动控制领域,尤其涉及一种用于车辆、舰艇、医疗器械、特种装备、机床加工设备等机械系统中的二维可控减振装置。
背景技术
运载工具、机械系统、仪器设备、建筑物等振动系统受到动态作用力时会产生各种形式的振动,这些振动会损坏振动系统、降低舒适性甚至危及生命安全。例如,船舶遭遇风浪引起的船体及船员座椅振动、车辆驶过不平路面引起的车身及乘员座椅振动等。因此,如何降低有害振动对人类生产生活的危害或延长机械系统的使用寿命是振动控制领域技术人员研究的重点。
设置减振装置是控制振动的一种有效选择,如车辆悬架及座椅悬架、飞机起落架、高层建筑地基等均设置了减振装置。但常见减振装置的可控自由度单一,不能同时衰减振动系统的多维振动。以汽车座椅悬架为例,传统的汽车座椅悬架减振装置以剪式机构为主,当汽车遭受纵向碰撞时,剪式机构限制座椅只能上下运动,而座椅上的人体将由于惯性向前拉伸安全带或者向后挤压椅背,给腹部、胸腔或者腰背产生极大压力,损伤内脏及腰部。针对二维方向的振动控制,已有部分中国发明专利可供参考。在申请号为ZL201210094352.9的发明申请中公开了一种工程车辆用三维减振座椅,这种座椅减振装置安装三个减振执行器分别实现纵向、垂向和横向减振。在申请号为ZL201410421468.8的发明申请中公开了一种基于磁流变弹性体的重型车辆座椅多自由度减振系统,但这种座椅减振装置是采用两个磁流变弹性体隔振器和一个磁流变弹性体吸振器,分别实现纵向和垂向减振。
发明内容
本发明是为避免现有技术所存在的不足,提供了一种纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,可同时实现在纵向和垂向上的二维集成减振,使减振装置结构得到简化。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点是:在基座上沿纵向水平设置固定支架,运动支架位于所述固定支架的上方,所述固定支架与运动支架由一对平行设置的摇臂铰链连接构成处在竖直平面中的平行四边形机构,所述摇臂是随运动支架的纵向垂向振动而摆动;具有半主动可控减振功能的旋转式磁流变阻尼器固定设置在基座上,并有被动齿轮固定在旋转式磁流变阻尼器的转轴的轴端;摇臂摆动的角位移通过主动齿轮和被动齿轮传递给旋转式磁流变阻尼器,设置于主动齿轮轴上的角加速度传感器用于获取运动支架的振动状态并反馈给旋转式磁流变阻尼器的控制器,以所述控制器按设定的控制决策实时控制旋转式磁流变阻尼器的阻尼力,实现对纵向垂向二维振动状态的控制;在所述摇臂与固定支架之间设置有扭簧,激振部件是与所述运动支架相联接。
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点也在于:所述旋转式磁流变阻尼器为纯剪切式磁流变阻尼器,其结构设置为:转轴由位于壳体两端的滚动轴承连接支撑,磁流变液封闭于由壳体和转轴构成的腔体中;在所述转轴上沿轴向间隔固定设置各剪切圆盘,与壳体固定为一体的上剪切圆环和下剪切圆环位于剪切圆盘的两侧,处在所述剪切圆盘的外圆周位置上的励磁线圈位于所述上剪切圆环和下剪切圆环之间,构成闭环磁通回路。
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点也在于:所述旋转式磁流变阻尼器为纯剪切式磁流变阻尼器,其结构设置为:转轴由封闭于筒体两端的端盖通过滚动轴承连接支撑,磁流变液封闭于由端盖、转轴以及筒体构成的腔体中,所述转轴和缸体均由不导磁材料制成,励磁线圈设置在筒体的外圆周上,在所述转轴上沿轴向间隔固定设置各剪切圆盘,与筒体固定为一体的剪切圆环与所述剪切圆盘间隔设置,构成闭环磁通回路。
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点也在于:所述旋转式磁流变阻尼器可以由以下执行器件替代:被动阻尼/刚度分级可调的执行器、半主动阻尼/刚度可控执行器或主动吸振装置。
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点也在于:所述平行四边形机构在所述基座上为平行设置的两组,在两组平行四边形机构的运动支架之间以上横梁相连接,在两组平行四边形机构的固定支架之间以下横梁相连接。
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点也在于:所述上横梁和下横梁与摇臂之间均为固定联接,在所述下横梁上固定设置与被动齿轮相啮合的主动齿轮,由所述被动齿轮和主动齿轮构成的传动机构实现行程放大。
本发明纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构特点也在于:所述主动齿轮为不完全齿轮,所述传动机构也可由蜗轮蜗杆机构或齿轮齿条机构实现,不局限于齿轮传动放大。
与已有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.本发明将激振部件的纵向垂向运动转换为与其联接构件的旋转运动,只需使用一个减振执行器即可实现纵向垂向二维减振,简化了传统二维减振装置的结构,降低了系统应用成本;
2.本发明使用的半主动执行器件为旋转式磁流变阻尼器,不仅具有结构简单、可控力矩范围大,也就是可实现二维减振装置的振动控制范围大,而且由其构成的闭环半主动可控系统所需功率很低,容易实现较多振动设备上的应用;
3.本发明设置的传动机构具有行程放大作用,可将振动幅值放大后传递给减振执行器,确保装置在小振幅激励作用时也能有较好的减振性能;
4.本发明弹性元件与阻尼元件分开布置,稳定性好,承载力强;各机构布置紧凑,占用空间较小,能满足振动系统对减振装置占用空间的要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明中旋转式磁流变阻尼器结构示意图;
图3为本发明中旋转式磁流变阻尼器另一实施方式结构示意图;
图4是本发明中二维振动控制原理框图。
具体实施方式
参见图1,本实施例中纵向垂向二维集成半主动可控减振装置的结构形式是:在基座1上沿纵向水平设置固定支架,运动支架位于固定支架的上方,固定支架与运动支架由一对平行设置的摇臂铰链连接构成处在竖直平面中的平行四边形机构10,摇臂是随运动支架的纵向垂向振动而摆动,利用平行四边形机构10将纵向运动和垂向运动转化为同一旋转运动;具有半主动可控减振功能的旋转式磁流变阻尼器80固定设置在基座1上,并有被动齿轮72固定在旋转式磁流变阻尼器80的转轴的轴端;摇臂摆动的角位移通过相互啮合的主动齿轮71和被动齿轮72传递给旋转式磁流变阻尼器80,设置于主动齿轮轴上的角加速度传感器42用于获取运动支架的振动状态并反馈给旋转式磁流变阻尼器的控制器,以控制器按设定的控制决策实时控制旋转式磁流变阻尼器80的阻尼力,实现对纵向垂向二维振动状态的控制;在摇臂与固定支架之间设置有扭簧,激振部件是与运动支架相联接。
图1所示,本实施例中的平行四边形机构10在基座1上为平行设置的两组,在两组平行四边形机构10的运动支架之间以上横梁相连接,在两组平行四边形机构10的固定支架之间以下横梁相连接;上横梁和下横梁与摇臂之间均为固定联接,在下横梁上固定设置与被动齿轮72相啮合的主动齿轮71,由被动齿轮72和主动齿轮71构成的传动机构实现行程放大。
本实施例中,如图1所示,由右固定支架21A、右运动支架31A、右前摇臂51D和右后摇臂51A构成位于基座1的右侧的右侧平行四边形结构,由左固定支架21B、左运动支架31B、左前摇臂51C和左后摇臂51B构成位于基座1的左侧的左侧平行四边形结构;在左运动支架31B与右运动支架31A之间分别以前上横梁41D和后上横梁41A在对应位置的摇臂上相连接;在左固定支架21B与右固定支架21A之间分别以前下横梁41C和后下横梁41B在对应位置的摇臂上相连接,以此增加结构的稳定性;右后扭簧61A和左后扭簧61B套装在后下横梁41B上,左前扭簧61C和右前扭簧61D套装在前下横梁41C上。
为了避免机构运动干涉并减小装置占用空间,可以将主动齿轮71设置为不完全齿轮,传动机构也可由蜗轮蜗杆机构或齿轮齿条机构实现,不局限于齿轮传动放大。
旋转式磁流变阻尼器80还可以由以下执行器件替代:被动阻尼/刚度分级可调的执行器、半主动阻尼/刚度可控执行器或主动吸振装置。
如图1所示,本实施例中的主动齿轮71与前下横梁41C为键联接,被动齿轮72与旋转式磁流变阻尼器转轴82亦为键联接,如图2所示的转轴82轴端的键槽89,以及图3所示的转轴92轴端的键槽99,摇臂摆动的角位移经传动机构放大后传递给旋转式磁流变阻尼器转轴82,增大旋转式磁流变阻尼器80的有效行程,传动比越大、旋转式磁流变阻尼器80的有效行程越大,则减振效果越好,但实际需要根据振动系统对减振装置占用空间的要求选择合适的传动比;基座1通过螺栓或其它方式固定在振动系统上,固定支架与基座1之间采用螺栓或其它方式联接,运动支架与振动系统激振部件采用螺栓或其他方式联接,伴随激振部件纵向垂向振动;各摇臂一端铰接于固定支架,可绕铰接中心转动,另一端铰接于运动支架,随着运动支架的纵向垂向振动而摆动;扭力弹簧套在横梁上,两只簧角分别与摇臂和固定支架联接,用来储存振动能量并承受激振部件静载荷;横梁与摇臂之间采用焊接或其它方式固定联接。
参见图2,具体实施中,旋转式磁流变阻尼器80为纯剪切式磁流变阻尼器,其结构设置为:转轴82由位于壳体81两端的滚动轴承连接支撑,如图2所示的第一滚动轴承87A和第二滚动轴承87B,并在滚动轴承的外侧设置密封圈,如图2所示的第一密封圈88A和第二密封圈88B;磁流变液90封闭于由壳体81和转轴82构成的腔体中;在转轴82上沿轴向间隔固定设置各剪切圆盘86,与壳体81固定为一体的上剪切圆环83A和下剪切圆环83B位于剪切圆盘86的两侧,处在剪切圆盘86的外圆周位置上的励磁线圈84位于上剪切圆环83A和下剪切圆环83B之间,由上剪切圆环83A和下剪切圆环83B、励磁线圈84以及与励磁线圈84处在相应的轴向位置上的剪切圆盘86共同构成的闭环磁通回路85。磁力线由励磁线圈84产生,从上剪切圆环83A开始,穿过上剪切圆环83A和剪切圆盘86之间的磁流变液90到达剪切圆盘86,穿过剪切圆盘86和下剪切圆环83B之间的磁流变液到达下剪切圆环83B,沿着下剪切圆环83B闭合于壳体81。当励磁线圈84输入电流、被动齿轮72带动转轴82旋转时,剪切圆盘86与上剪切圆环83A以及下剪切圆环83B作相对运动并剪切磁流变液90,从而实现阻尼力通过输入电流连续可控的旋转式磁流变阻尼器。
具体实施中,如图2所示,介于剪切圆盘86和上剪切圆环83A,以及剪切圆盘86与下剪切圆环83B之间的磁流变液90的厚度设置在0.5-3mm,取决于特定的应用环境对磁流变阻尼器的力学性能要求,励磁线圈84的组数和匝数以及宽度根据实际的应用需求和磁流变阻尼器自身的属性进行确定,至少为一组,其最大组数取决于壳体81长度。
图3所示为旋转式磁流变阻尼器80采用另一结构形式,旋转式磁流变阻尼器80同样为为纯剪切式磁流变阻尼器,其结构设置也可以是:转轴92由封闭于筒体101两端的端盖91通过滚动轴承连接支撑,如图3所示的第三滚动轴承97A和第四滚动轴承97B,并在滚动轴承的外侧设置密封圈,如图3所示的第三密封圈98A和第四密封圈98B;磁流变液100封闭于由端盖91、转轴92以及筒体101构成的腔体中,转轴92和筒体101均由不导磁材料制成,励磁线圈94设置在筒体101的外圆周上;在转轴92上沿轴向间隔固定设置各剪切圆盘96,与筒体101固定为一体的剪切圆环93与剪切圆盘86间隔设置,构成闭环磁通回路95。当向励磁线圈94输入电流、被动齿轮72带动转轴92旋转时,剪切圆盘96与剪切圆环93作相对运动并剪切磁流变液100,实现阻尼力通过输入电流连续可控的旋转式磁流变阻尼器
图4为本实施例的二维振动集成半主动控制系统原理框图,当振动系统中的激振部件受到纵向垂向振动/冲击时,运动支架随激振部件向前或者向后运动,摇臂随之摆动,扭簧储存振动能量,摇臂的摆动驱动主动齿轮,主动齿轮驱动被动齿轮,被动齿轮驱动旋转式磁流变阻尼器的转轴,减振装置控制系统根据角加速度传感器传来的激振部件运动状态信号,计算出阻尼器应输出的理想阻尼力,并传递给阻尼器控制系统,旋转式磁流变阻尼器控制系统输出相应的电压信号给电流驱动器,电流驱动器输出相应的电流信号给磁流变阻尼器,使之提供合适的阻尼力,从而消耗振动/冲击能量,实现纵向垂向二维集成减振控制。

Claims (7)

1.一种纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:在基座(1)上沿纵向水平设置固定支架,运动支架位于所述固定支架的上方,所述固定支架与运动支架由一对平行设置的摇臂铰链连接构成处在竖直平面中的平行四边形机构(10),所述摇臂是随运动支架的纵向垂向振动而摆动;具有半主动可控减振功能的旋转式磁流变阻尼器(80)固定设置在基座(1)上,并有被动齿轮(72)固定在旋转式磁流变阻尼器(80)的转轴的轴端;摇臂摆动的角位移通过主动齿轮(71)和被动齿轮(72)传递给旋转式磁流变阻尼器(80),设置于主动齿轮轴上的角加速度传感器(42)用于获取运动支架的振动状态并反馈给旋转式磁流变阻尼器的控制器,以所述控制器按设定的控制决策实时控制旋转式磁流变阻尼器(80)的阻尼力,实现对纵向垂向二维振动状态的控制;在所述摇臂与固定支架之间设置有扭簧,激振部件是与所述运动支架相联接。
2.根据权利要求1所述的纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:所述旋转式磁流变阻尼器(80)为纯剪切式磁流变阻尼器,其结构设置为:转轴(82)由位于壳体(81)两端的滚动轴承连接支撑,磁流变液(90)封闭于由壳体(81)和转轴(82)构成的腔体中;在所述转轴(82)上沿轴向间隔固定设置各剪切圆盘(86),与壳体(81)固定为一体的上剪切圆环(83A)和下剪切圆环(83B)位于剪切圆盘(86)的两侧,处在所述剪切圆盘(86)的外圆周位置上的励磁线圈(84)位于所述上剪切圆环(83A)和下剪切圆环(83B)之间,构成闭环磁通回路(85)。
3.根据权利要求1所述的纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:所述旋转式磁流变阻尼器(80)为纯剪切式磁流变阻尼器,其结构设置为:转轴(92)由封闭于筒体(101)两端的端盖(91)通过滚动轴承连接支撑,磁流变液(100)封闭于由端盖(91)、转轴(92)以及筒体(101)构成的腔体中,所述转轴(92)和筒体(101)均由不导磁材料制成,励磁线圈(94)设置在筒体(101)的外圆周上,在所述转轴(92)上沿轴向间隔固定设置各剪切圆盘(96),与筒体(101)固定为一体的剪切圆环(93)与所述剪切圆盘(86)间隔设置,构成闭环磁通回路(95)。
4.根据权利要求1所述的纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:所述旋转式磁流变阻尼器(80)可以由以下执行器件替代:被动阻尼/刚度分级可调的执行器、半主动阻尼/刚度可控执行器或主动吸振装置。
5.根据权利要求1所述的纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:所述平行四边形机构(10)在所述基座(1)上为平行设置的两组,在两组平行四边形机构(10)的运动支架之间以上横梁相连接,在两组平行四边形机构(10)的固定支架之间以下横梁相连接。
6.根据权利要求5所述的纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:所述上横梁和下横梁与摇臂之间均为固定联接,在所述下横梁上固定设置与被动齿轮(72)相啮合的主动齿轮(71),由所述被动齿轮(72)和主动齿轮(71)构成的传动机构实现行程放大。
7.根据权利要求6所述的纵向垂向二维集成半主动可控减振装置,其特征是:所述主动齿轮(71)为不完全齿轮,所述传动机构也可由蜗轮蜗杆机构或齿轮齿条机构实现,不局限于齿轮传动放大。
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