CN105526270A - 一种准零刚度联轴器 - Google Patents

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Abstract

一种准零刚度联轴器，包括外壳，设置在外壳内的内轴，内轴一端与外壳底部通过橡胶弹簧连接，橡胶弹簧为齿式橡胶弹簧，其内圈和内轴端部的齿互相卡紧，外圈和外壳内壁上的齿互相卡紧，保证外壳扭转时带动内轴一起转动；外磁环固定在外壳内壁上，内磁环固定在内轴外周圈上，外磁环和内磁环构成磁力弹簧；轴承外圈和外壳配合，内圈和内轴配合，用于限制内轴相对于外壳的轴向运动和径向运动；通过选取外磁环和内磁环的几何参数时，使其产生的负刚度近似于橡胶弹簧的正刚度，从而使总刚度达到准零状态；本发明联轴器既能有效传递驱动力矩，又能隔离扰动力矩，具有很宽的隔振频带，而且对低频扰动具有很好的隔离效果；该联轴器可用于解决转子系统的扭振问题，特别适用于精密转子系统。

Description

一种准零刚度联轴器
技术领域
本发明涉及一种联轴器，具体涉及一种既能有效传递驱动力矩又具有低频隔振效果的准零刚度联轴器，能够很好地抑制轴系的扭转振动。
背景技术
扭转振动现象普遍存在于汽车、舰船、航空航天等领域，基本上所有的转子系统都有扭转振动问题。扭转振动会引起齿轮磨损、轴断裂，进而影响机械设备的正常工作；剧烈的扭转振动也会带来噪声问题，特别是飞机、舰船上的发动机，由于扭转振动引起的强噪声会严重影响隐身效果；对于精密工程领域，如航天器系统，扭转振动会影响精密仪器的使用精度。
联轴器是转子系统必不可少的部件，它的主要作用是连接主动轴和从动轴，将主动轴的驱动力矩传递到从动轴上。联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两类。刚性联轴器传递驱动力矩的效果最好，但是不能隔离扰动力矩；弹性联轴器如橡胶联轴器，其具有一定的隔离扭转振动的效果，但为了保证其传递驱动力矩的特性，扭转刚度不可能做的很小，因此其隔振效果必然受到限制。因此本发明设计了一种准零刚度联轴器，它具有低动态刚度、高静态刚度的特性：低动态刚度可以使得转子系统的扭转共振频率很小，因而有很好的隔振效果；高静态刚度可以使联轴器有效地传递驱动力矩。
目前，准零刚度技术已经被应用于隔振领域，经检索有如下发明专利：“屈曲板型准零刚度隔振器(申请号：201310330357.1)”，“碟形橡胶准零刚度隔振器(申请号：201310330360.3；103398139B)”，“滚珠型准零刚度隔振器(申请号：201310330359.0)”，“一种具有准零刚度的阻尼可调平台(申请号：201410032741.8)”，“一种采用环形永磁铁产生负刚度的准零刚度隔振器(申请号：201410582655.4)”，“承重可调准零刚度电磁隔振器及其控制方法(申请号：201210081938.1)”等。这些都是平动方向的准零刚度隔振器，而将准零刚度技术应用于扭转振动隔离的研究很少。经检索，只有专利“扭转准零刚度隔振器(申请号：201410558315.8)”提出了一种扭转方向的准零刚度隔振器，但是这种方式的缺点是结构复杂，尺寸大，难以小型化、精密化。本发明利用高性能磁铁的磁力作用产生扭转负刚度，设计出一种准零刚度联轴器，其结构紧凑，能够更方便地应用于工业领域。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种准零刚度联轴器，既能有效传递驱动力矩，又能隔离扰动力矩，具有很宽的隔振频带，而且对低频扰动具有很好的隔离效果；该联轴器可用于解决转子系统的扭振问题，特别适用于精密转子系统。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种准零刚度联轴器，包括外壳4，设置在外壳4内的内轴5，所述内轴5一端与外壳4底部通过橡胶弹簧3连接，所述橡胶弹簧3为齿式橡胶弹簧，其内圈和内轴5端部的齿互相卡紧，外圈和外壳4内壁上的齿互相卡紧，从而保证外壳4扭转时带动内轴5一起转动；外磁环1固定在外壳4内壁上，内磁环2固定在内轴5外周圈上，外磁环1和内磁环2构成磁力弹簧；轴承6外圈和外壳4配合，内圈和内轴5配合，轴承6用于限制内轴5相对于外壳4的轴向运动和径向运动；所述橡胶弹簧3为弹性连接件，其扭转刚度为正，主要用来提供驱动力矩；当橡胶弹簧3无扭转变形时，外磁环1和内磁环2的瓦片相互错开，此时，联轴器未处于工作状态；当联轴器处于工作状态时，橡胶弹簧3产生扭转变形，对应于外磁环1和内磁环2处于互斥的状态，此时，外磁环1的瓦片正好和内磁环2的瓦片正对，且相对的瓦片充磁方向恰好相反，因此由外磁环1和内磁环2构成的磁力弹簧产生的扭转刚度为负；所述外壳4底部的孔用来连接主动轴，内轴5远离底部一端的孔用来连接从动轴。
当联轴器处于工作状态时，磁力弹簧不产生磁力矩，故橡胶弹簧3的扭转力矩不受影响；但磁力弹簧能够产生很大的负刚度Km，会抵消橡胶弹簧3的正刚度Kr；通过选取外磁环1和内磁环2的几何参数时，能够使其产生的负刚度Km近似于橡胶弹簧的正刚度Kr，即Km＝Kr；则负磁刚度完全抵消橡胶弹簧3的正刚度，从而使总刚度达到准零状态。
所述外磁环1和内磁环2均由若干磁瓦拼接而成，磁瓦充磁方向沿径向，且按照指向圆心、背离圆心的方式交替变化。
所述外磁环1和内磁环2的磁瓦数量相同，均为2N，N为整数，N根据需要设计。
所述外磁环1和内磁环2采用强磁性材料。
所述外壳4采用非导磁或弱导磁材料。
和现有的联轴器技术相比，本发明具有如下优点：
1)在保证有效传递驱动力矩的前提下，具有很宽的隔振频带，且对低频扰动力矩有很好的隔振效果。
2)使用该联轴器，可以显著降低转子系统的扭转振动水平。
3)该准零刚度联轴器结构紧凑，可以实现小型化、精密化。
附图说明
图1为本发明准零刚度联轴器示意图。
图2为图1沿A-A向视图即橡胶弹簧示意图。
图3为图1沿B-B向视图即不同状态下磁力弹簧示意图，其中，图3(a)为联轴器处于非工作状态时的示意图，图3(b)为联轴器处于工作状态时的示意图。
图4为联轴器与主动轴、从动轴连接示意图。
图5为磁力弹簧扭转刚度-扭转角关系曲线。
图6为联轴器总刚度-扭转角关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种准零刚度联轴器，包括外磁环1、内磁环2，橡胶弹簧3，外壳4，内轴5和轴承6。通过设计合适的夹具可将外磁环1固定在外壳4上，内磁环2固定在内轴5上。外磁环1和内磁环2的结构如图3所示，均由若干片磁瓦组合而成，且磁瓦数量相同。磁瓦的充磁方向沿径向，且交替变化。当外磁环1和内磁环2处于图3(b)所示的相对位置，由它们组成的磁力弹簧产生的磁力矩为零，但磁刚度为负值，且数值最大。当外磁环1和内磁环2的相对位置偏离图2(b)所示情形，磁刚度将发生变化，磁刚度与扭转角之间的关系如图5所示。可以看出，在平衡位置附近的小范围内，磁刚度基本不变，具有较好的均匀性。所述外壳4和内轴5通过橡胶弹簧3连接，连接方式如图2所示。如此，当外壳4相对于内轴5转动时，橡胶弹簧3发生扭转变形，因此产生扭矩作用，该扭矩迫使内轴5和外壳4同时运动。在联轴器处于平衡位置时(图3(b)所示位置)，由于磁力矩为零，故总力矩仅由橡胶弹簧3提供；而磁刚度为负，故总刚度由橡胶弹簧3的正刚度和磁力弹簧的负刚度决定，总刚度如图6所示。可以看出，由于在平衡位置附近小范围内，负的磁刚度抵消了橡胶弹簧3的正刚度，因此总刚度很小。所述轴承6是为了限制内轴5相对于外壳4的轴向运动和径向运动，保证内轴5只能相对外壳4发生扭转运动。
该联轴器实际工作中与主动轴、从动轴的连接方式如图4所示，7为主动轴、8为从动轴、9为电机、10为转子。
负刚度扭转磁力弹簧是本发明的设计关键，须保证磁力弹簧的刚度特性达到图5所示状态。在图3所示的磁力弹簧中，组成外磁环1和内磁环2的磁瓦的角宽度大小相同。实际上，为了使磁力弹簧在平衡位置附近较宽的角位移范围内产生均匀的负刚度，应使组成外磁环1和内磁环2的磁瓦的角宽度存在差值。
作为本发明的优选方式，所述外磁环1和内磁环2采用汝铁硼材料。
本发明的工作原理如下：本发明一种准零刚度联轴器，其功能是将稳定的驱动力矩从主动轴传递到从动轴，同时隔离扰动力矩，避免传递到从动轴。在联轴器的橡胶弹簧3处于自由状态时，外磁环1和内磁环2的磁瓦不正对，而存在角度差θ0，如图3(a)所示。当主动轴7带动外壳4转动时，外壳4和内轴5产生发生相对角位移，在转子系统处于稳定工作状态时，该相对角位移恰为θ0(允许在θ0附近的小范围内波动)。此时，外磁环1和内磁环2的磁瓦正好相对，如图3(b)，磁力矩为零，磁刚度Km为负值；而橡胶弹簧的扭矩为Krθ0，扭转刚度为Kr。磁刚度Km刚好抵消橡胶弹簧的正刚度Kr。因此，在联轴器处于稳定工作状态时，其扭矩仅由橡胶弹簧的扭矩Krθ0决定，不受磁力弹簧影响，这保证了联轴器提供驱动力矩的能力；而动态刚度Kr-Km基本为零，则扭转共振频率趋于零，低频隔振能力增强，隔振频带显著提高。

Claims (6)

1.一种准零刚度联轴器，包括外壳(4)，设置在外壳(4)内的内轴(5)，其特征在于：所述内轴(5)一端与外壳(4)底部通过橡胶弹簧(3)连接，所述橡胶弹簧(3)为齿式橡胶弹簧，其内圈和内轴(5)端部的齿互相卡紧，外圈和外壳(4)内壁上的齿互相卡紧，从而保证外壳(4)扭转时带动内轴(5)一起转动；外磁环(1)固定在外壳(4)内壁上，内磁环(2)固定在内轴(5)外周圈上，外磁环(1)和内磁环(2)构成磁力弹簧；轴承(6)外圈和外壳(4)配合，内圈和内轴(5)配合，轴承(6)用于限制内轴(5)相对于外壳(4)的轴向运动和径向运动；所述橡胶弹簧(3)为弹性连接件，其扭转刚度为正，主要用来提供驱动力矩；当橡胶弹簧(3)无扭转变形时，外磁环(1)和内磁环(2)的瓦片相互错开，此时，联轴器未处于工作状态；当联轴器处于工作状态时，橡胶弹簧(3)产生扭转变形，对应于外磁环(1)和内磁环(2)处于互斥的状态，此时，外磁环(1)的瓦片正好和内磁环(2)的瓦片正对，且相对的瓦片充磁方向恰好相反，因此由外磁环(1)和内磁环(2)构成的磁力弹簧产生的扭转刚度为负；所述外壳(4)底部的孔用来连接主动轴，内轴(5)远离底部一端的孔用来连接从动轴。
2.根据权利要求1所述的一种准零刚度联轴器，其特征在于：当联轴器处于工作状态时，磁力弹簧不产生磁力矩，故橡胶弹簧(3)的扭转力矩不受影响；但磁力弹簧能够产生很大的负刚度Km，会抵消橡胶弹簧(3)的正刚度Kr；通过选取外磁环(1)和内磁环(2)的几何参数时，能够使其产生的负刚度Km近似于橡胶弹簧的正刚度Kr，即Km＝Kr；则负磁刚度完全抵消橡胶弹簧(3)的正刚度，从而使总刚度达到准零状态。
3.根据权利要求1所述的一种准零刚度联轴器，其特征在于：所述外磁环(1)和内磁环(2)均由若干磁瓦拼接而成，磁瓦充磁方向沿径向，且按照指向圆心、背离圆心的方式交替变化。
4.根据权利要求1所述的一种准零刚度联轴器，其特征在于：所述外磁环(1)和内磁环(2)的磁瓦数量相同，均为2N，N为整数，N根据需要设计。
5.根据权利要求1所述的一种准零刚度联轴器，其特征在于：所述外磁环(1)和内磁环(2)采用强磁性材料。
6.根据权利要求1所述的一种准零刚度联轴器，其特征在于：所述外壳(4)采用非导磁或弱导磁材料。
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