CN105041942B - 一种无摩擦流体阻尼隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无摩擦流体阻尼隔振器，其包括：内腔体、外腔体、上连接件、下连接件以及连通杆，其中：内腔体包括：内腔波纹管、上端盖及下端盖；内腔波纹管、上端盖以及下端盖形成圆柱形的内腔体；外腔体包括：外腔内侧波纹管、外腔外侧波纹管、上法兰以及下法兰；外腔内侧波纹管、外腔外侧波纹管、上法兰、下法兰以及下端盖形成圆环形的外腔体；外腔体设置在内腔体外侧；上端盖位于上法兰的下方；上法兰与上连接件相连；下端盖位于下法兰的上方；下法兰与下连接件相连；连通杆的两端分别连通内腔体和外腔体。本发明的无摩擦流体阻尼隔振器，两个腔体为内外设置，减小了隔振器的尺寸，提高了隔振器的性能。

Description

一种无摩擦流体阻尼隔振器

技术领域

本发明涉及微振动控制领域，特别涉及一种无摩擦流体阻尼隔振器。

背景技术

微振动是影响飞行器、航天器的指向精度和成像质量等性能的主要因素，它的主要特点是幅值小、频带宽、控制难。微振动位移一般在微米量级，甚至更小，但是其危害却十分显著；微振动的频率范围从极低到数千赫兹，其中几赫兹到几百赫兹范围振动能量较大，不易衰减；微振动由于振幅小，在机械结构中的传播机理复杂，使得传统减振方法性能下降。

传统隔振器装置中常包含有摩擦力，摩擦力所产生的阻尼属于非线性阻尼，这种阻尼的隔振性能随着激励幅值的改变而改变。当激励幅值非常小时，隔振装置中需要消除摩擦力，否则很小的摩擦力也可能产生“过大”的阻尼效果，甚至导致隔振器中相对运动副的“锁死”，这种现象对微振动的控制极为不利。因此，对于在轨卫星的微振动控制，需要采用不含有摩擦力的隔振元件。

隔振元件除了刚度元件外，还需要有一定的阻尼效果。普通的采用高分子材料制作的隔振器，可以通过改变几何尺寸获得一定的刚度特性，但是阻尼特性大小的调节，需要对高分子材料进行调配，设计非常困难。除此以外，阻尼的大小受限，只能在很窄的范围内进行调制。流体阻尼则不存在这个问题，在设计时通过改变阻尼孔的直径、长度、流体的粘度等，可以非常方便的改变隔振器的阻尼特性。

从已有的研究成果来看，无摩擦流体阻尼隔振器在国外的卫星微振动控制中已经得到一定的实际应用。高性能的三参数流体阻尼隔振器得到了一定的应用，但其存在一定的不足。主要体现在以下几个方面：一，隔振的弯曲刚度过低，降低了隔振器的性能和应用范围；二，隔振器的腔体采用上下布置，使得阻尼器的几何尺寸很大，不能满足使用场合的需求；进一步缩短尺寸时，又会使阻尼孔长度减小，从而减小了隔振性能。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种无摩擦流体阻尼隔振器，两个腔体采用内外布置，有效减小了隔振器的尺寸，解决了现有技术的阻尼器尺寸大，隔振性能差的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种无摩擦流体阻尼隔振器，其包括：内腔体、外腔体、上连接件、下连接件以及连通杆，其中：

所述内腔体包括：内腔波纹管、上端盖及下端盖；所述内腔波纹管的上端与所述上端盖相连，所述内腔波纹管的下端与所述下端盖相连；所述内腔波纹管、所述上端盖以及所述下端盖形成圆柱形的内腔体；

所述外腔体包括：外腔内侧波纹管、外腔外侧波纹管、上法兰以及下法兰；所述外腔内侧波纹管的上端与所述上法兰相连，所述外腔内侧波纹管的下端与所述下端盖相连；所述外腔外侧波纹管的上端与所述上法兰相连，所述外腔外侧波纹管的下端与所述下法兰相连；所述外腔内侧波纹管、所述外腔外侧波纹管、所述上法兰、所述下法兰以及所述下端盖形成圆环形的外腔体；

所述外腔体套在所述内腔体外侧；所述上端盖位于所述上法兰的下方；所述上法兰与所述上连接件相连；所述下端盖位于所述下法兰的上方；所述下法兰与所述下连接件相连；所述连通杆的两端分别连通所述内腔体和所述外腔体。

本发明的无摩擦流体阻尼隔振器的所述内腔体以及所述外腔体连通构成所述阻尼器的流体空间，流体通过连通杆的阻尼孔由内向外或由外向内流通，上述所述为两参数的阻尼隔振器，两参数是指流体流动产生的阻尼和波纹管的刚度。

较佳地，还包括缓冲装置，所述缓冲装置设置于所述上法兰和所述上端盖之间；且与所述上法兰和所述上端盖固定连接。增加缓冲装置之后使阻尼隔振器变为三参数的阻尼隔振器，在原有基础上增加了缓冲装置的刚度这一参数，能够在不削弱隔振效果的前提下降低共振峰值。

较佳地，所述内腔体、所述外腔体以及所述连通杆为同轴设置。同轴布置能够使得腔内流体获得均匀的阻尼效果，同时也使得外部激振力能够作用在轴心位置，避免弯矩的产生，避免阻尼器受到损坏或阻尼效果降低。

较佳地，所述上连接件、所述下连接件以及所述连通杆为同轴设置。

较佳地，所述连通杆为可更换的。现有的阻尼器都是通过粘结或焊接依次成型，不可拆卸，设计好之后，系统的阻尼系数也就随之固定了。将连通杆设置为可更换的，可以根据需要选择合适的连通杆的阻尼孔直径和阻尼孔长度，从而使阻尼系数发生改变。

较佳地，所述连通杆的上端面和/或下端面设置有扳手槽或螺丝刀槽，方便使用扳手或螺丝刀拆装连通杆。

较佳地，所述上端盖、所述下端盖、所述上法兰、所述下法兰、所述上连接件以及所述下连接件均设置有螺纹孔，各部件通过螺纹孔连接，方便组装和拆卸。

较佳地，所述连通杆的外径不大于所述上端盖以及所述下法兰的螺纹孔的直径。便于从阻尼隔振器的上端或下端更换连通杆。

较佳地，所述连通杆的外侧通过螺纹与所述下端盖相连。

较佳地，所述上连接与所述上法兰以及所述下连接件与所述下法兰都通过螺纹连接。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的无摩擦流体阻尼隔振器的两个腔体内外设置，减小了隔振器的尺寸，其阻尼器长度为4cm左右，现有的阻尼器的长度为10cm左右，因此，相对于现有的细长结构，本发明的阻尼器为短粗结构(近似于扁平)，其更难弯曲，具有较高的抗弯曲能力；

(2)本发明的阻尼隔振器采用波纹管作为隔振器的的刚度元件，其阻尼式通过流体的流动产生的，流体的流动又是由于波纹管的拉伸膨胀带来的，在阻尼产生过程中，没有相互接触金属部件的相对运动，因此避免了相对运动带来的摩擦；

(3)本发明的阻尼隔振器采用波纹管的体积变形来驱动流体产生阻尼力，使得隔振器的阻尼能力增强；

(4)本发明的阻尼隔振器的连通杆可以更换，可以根据需求来设计不同的阻尼大小，适用范围广。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的剖掉四分之一的剖视图；

图2为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的主视图；

图3为沿图2中A-A方向的剖视图；

图4为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的上连接件的结构示意图；

图5为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的上法兰的结构示意图；

图6为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的上端盖的结构示意图；

图7为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的下端盖的结构示意图；

图8为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的下法兰的结构示意图；

图9为本发明的实施例1的无摩擦流体阻尼隔振器的下连接件的结构示意图；

图10为本发明的实施例2的无摩擦流体阻尼隔振器的主视图。

标号说明：1-内腔体，2-外腔体，3-上连接件，4-下连接件，5-连通杆，6-缓冲弹簧；

11-内腔波纹管，12-上端盖，13-下端盖；

121-中心螺纹孔，131-中心螺纹孔；

21-外腔内侧波纹管，22-外腔外侧波纹管，23-上法兰，24-下法兰；

231-边缘螺纹孔，241-边缘螺纹孔，242-中心螺纹孔；

31-边缘螺纹孔，32-通孔；

41-边缘螺纹孔，42-通孔；

51-阻尼孔，52-螺丝刀槽。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

结合图1-图9，本实施例详细描述本发明的无摩擦流体阻尼隔振器，将其剖掉四分之一后的剖视图如图1所示，如图2所示为本发明的无摩擦流体阻尼隔振器的正视图，如图3所示为沿图2的A-A方向的剖视图，其包括：内腔体1，外腔体2，上连接件3，下连接件4以及连通杆5。内腔体1包括：内腔波纹管11，上端盖12以及下端盖13，内腔波纹管11的上端与上端盖12相连，下端与下端盖13的内圈相连；外腔体2包括：外腔内侧波纹管21，外腔外侧波纹管22，上法兰23以及下法兰24，外腔内侧波纹管21的上端与上法兰23的内圈相连，下端与下端盖13的外圈相连，外腔外侧波纹管22的上端与上法兰23的外圈相连，下端与下法兰24相连。外腔体2套在内腔体1的外侧，连通杆5的中心设置有贯通的阻尼孔51，连通杆5的上端12位于内腔体1中，下端穿过下端盖13位于外腔体2中，即通过阻尼孔51将内腔体1和外腔体2连通起来。上端盖12位于上法兰23的下方；上法兰23与上连接件3相连；下端盖13位于下法兰24的上方；下法兰24与下连接件4相连。

本实施例中，内腔体1和外腔体2以及连通杆5同轴设置；连通杆5的上端面设置有螺丝刀槽52，便于使用螺丝刀拆装连通杆5，对连通杆5进行更换。不同实施例中，也可在连通杆5的下端面设置螺丝刀槽，也可在上端面和下单面都设置；螺丝刀槽也可以用类似的结构代替，如内六角槽，可以使用扳手拆装连通杆5。

上连接件3的结构示意图如图4所示，沿其边缘圆周设置有四个边缘螺纹孔31，中心位置处设置有通孔32，边缘螺纹孔31用于与上法兰23连接，通孔32用于当需要更换连通杆5时，方便连通杆5从中通过；上法兰23的结构示意图如图5所示，沿其内圈圆周上设置有四个边缘螺纹孔231，用于与上连接件3相连；上端盖12的结构示意图如图6所示，其中心设置有中心螺纹孔121，用于当需要更换连通杆5时，方便连通杆5从中通过；下端盖13的结构示意图如图7所示，其中心设置有中心螺纹孔131，用于与连通杆5的外侧螺纹连接；下法兰24的结构示意图如图8所示，沿其边缘圆周上设置有四个边缘螺纹孔241，中心位置处设置有中心螺纹孔242，边缘螺纹孔241用于与下连接件连接，中心螺纹孔242用于当需要更换连通杆5时，方便连通杆5从中通过；下连接件4的结构示意图如图9所示，其上设置有与下法兰24上的边缘螺纹孔241相对应的位置处设置有边缘螺纹孔41，用于与下法兰24连接，中心位置处设置有通孔42，用于当需要更换连通杆5时，方便连通杆5从中通过。

本实施例的隔振器为两参数流体阻尼隔振器，可应用于飞行器、航天器等的微振动控制相关的隔振平台的组建，其工作原理如下：上连接件3和下连接件4分别安装在被隔振物和基础上，可以将上连接件3与被隔振物相连，下连接件4与基础相连，也可以将上连接件与基础相连，下连接件4与基础相连，此处不作限制，此处以上连接件3的上端连接被隔振物，下连接件4的下端连接基础为例来说明。当下连接件4固定不动的时候，向上拉动上连接件3，上连接件3和上法兰23采用螺纹连接，上法兰23和外腔外侧波纹管22固定连接，外腔外侧波纹管22的下端面又和下法兰24固定连接，因此上连接件3向上运动的时候带动整个外腔体2向上运动，从而使得外腔体2膨胀，流体经过连通杆5的阻尼孔51，由于流体自身的粘性，流体在经过阻尼孔51时流速增大，流体耗能增大，从而达到阻尼耗能的效果。

对该隔振器等效模型的相关参数，计算方法如下：

1)主刚度Ka的设计。隔振器的主刚度主要取决于外腔外侧波纹管的刚度。可以采用有限元方法、实验的方法、解析方法等多种手段设计外腔外侧波纹管，使其满足使用需求；

2)阻尼系数Ca的设计。当阻尼孔中的雷诺数较小时，阻尼孔较长时可以利用阻尼孔相关理论进行计算。阻尼孔两端的压差为，

其中v为阻尼孔中的流体速度，μ为流体粘度，L为阻尼孔长度，r为阻尼孔半径，隔振器输出的阻尼力为，

其中A_bellow为波纹管的有效工作面积，以U型波纹管为例其近似计算为计算式中R′为波纹管的波峰到波纹管轴线距离，r′为波纹管波谷到波纹管轴心线的距离。A_orifice为阻尼孔的面积。u为隔振器两端的相对运动速度。可以知道隔振器是阻尼系数为

本发明的无摩擦流体阻尼隔振器具有阻尼效果可调、无摩擦、流体阻尼等优点。连通杆5可更换，可根据需要选择不同阻尼效果的连通杆，提高了隔振器的性能和应用范围；采用波纹管作为隔振器的刚度元件，消除隔振器中相对运动部件之间的接触摩擦力，避免了摩擦力对微振动带来的不利影响，特别适用于微振动的控制；采用波纹管的体积变形来驱动流体产生阻尼力，使得隔振器的阻尼能力强，且阻尼大小可以根据需求来设计，适用范围广；本发明的隔振器的两个腔体采用内外设置，为扁平结构，现对于现有的两个腔体采用上下设置的隔振器，细长结构来说，具有更高的抗弯曲能力，可以使得隔振器的第一阶弯曲模态频率较高，有效的减少隔振器的横向振动模态对隔振平台的隔振性能的影响，提高了隔振平台的隔振效果。

较佳实施例中，连通杆5的下端通过螺纹与下端盖13相连。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上在上端盖12和上法兰23之间增加了缓冲弹簧6，其与上端盖12和上法兰23固定连接，其结构示意图如图10所示，这样隔振器变为三参数系统。

不同实施例中，缓冲弹簧也可以采用其他形式的缓冲装置来替代。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，包括：内腔体、外腔体、上连接件、下连接件以及连通杆，其中：

所述内腔体包括：内腔波纹管、上端盖及下端盖；所述内腔波纹管的上端与所述上端盖相连，所述内腔波纹管的下端与所述下端盖相连；所述内腔波纹管、所述上端盖以及所述下端盖形成圆柱形的内腔体；

所述外腔体包括：外腔内侧波纹管、外腔外侧波纹管、上法兰以及下法兰；所述外腔内侧波纹管的上端与所述上法兰相连，所述外腔内侧波纹管的下端与所述下端盖相连；所述外腔外侧波纹管的上端与所述上法兰相连，所述外腔外侧波纹管的下端与所述下法兰相连；所述外腔内侧波纹管、所述外腔外侧波纹管、所述上法兰、所述下法兰以及所述下端盖形成圆环形的外腔体；

所述外腔体套在所述内腔体外侧；所述上端盖位于所述上法兰的下方；所述上法兰与所述上连接件相连；所述下端盖位于所述下法兰的上方；所述下法兰与所述下连接件相连；所述连通杆的两端分别连通所述内腔体和所述外腔体。

2.根据权利要求1所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，还包括缓冲装置，所述缓冲装置设置于所述上法兰和所述上端盖之间；

所述缓冲装置与所述上法兰和所述上端盖固定连接。

3.根据权利要求1所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述内腔体、所述外腔体以及所述连通杆为同轴设置。

4.根据权利要求1所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述上连接件、所述下连接件以及所述连通杆为同轴设置。

5.根据权利要求1所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述连通杆为可更换的。

6.根据权利要求5所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述连通杆的上端面和/或下端面设置有扳手槽或螺丝刀槽。

7.根据权利要求1所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述上法兰、所述下法兰、所述上连接件以及所述下连接件均设置有边缘螺纹孔；

所述上法兰与所述上连接件、所述外腔内侧波纹管与所述上法兰、所述外腔外侧波纹管与所述上法兰、所述下法兰与所述外腔外侧波纹管以及所述下法兰与所述下连接件之间均通过边缘螺纹孔连接。

8.根据权利要求7所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述上端盖以及所述下法兰上的所述连通杆的垂直投影位置设置有中心螺纹孔，所述连通杆的外径不大于所述上端盖以及所述下法兰的中心螺纹孔的直径。

9.根据权利要求8所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述下端盖上的所述连通杆的垂直投影位置设置有中心螺纹孔；

所述连通杆的外侧通过所述下端盖上的中心螺纹孔与所述下端盖相连。

10.根据权利要求8所述的无摩擦流体阻尼隔振器，其特征在于，所述上连接件以及所述下连接件上的所述连通杆的垂直投影位置设置有通孔，所述连通杆的外径不大于所述通孔的直径。