CN105673769A - 采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器及隔振方法 - Google Patents
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Abstract
采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器及隔振方法，该隔振器包括上下两个端盖，上下两连接件分别与上下两端盖通过螺钉连接固定，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜由纤维夹芯介电弹性材料薄膜和单层介电弹性材料薄膜复合而成，在纤维夹芯薄膜驱动区域的上下表面涂敷导电碳膏，把非驱动区域的复合介电弹性薄膜缠绕在上下两端盖间，其导电引线通过双面导电铜箔引出；直线法兰轴承与上部端盖中心套合，中间轴通过间隙配合套入直线法兰轴承内，并与下部端盖通过螺纹连接；内置压缩弹簧的上下两端与上下两个端盖固定；本发明还公开了该隔振器的隔振方法；具有大变形，高阻尼和主被动一体化隔振控制特点，且结构简单，应用范围广，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及隔振器技术领域，具体涉及一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器及隔振方法。
背景技术
在工程技术领域中，振动现象比比皆是。大多数情况下振动现象的产生会产生各种危害：既影响精密仪器设备的功能，又降低加工精度和使用寿命；也会影响我们的生活质量，如汽车的振动会降低乘车的舒适性。因此，研究人员提出了各种振动抑制方法，设计出了各式各样的隔振器。但是传统隔振器难以同时满足大位移振动隔振和主被动一体化隔振的需求。
介电弹性材料是一种新型功能材料，输入高压电激励时，介电弹性材料产生Maxwell力而使这种材料产生较大的应变伸缩，并且介电弹性材料具有快速响应、轻质价廉和零噪声等优点，因此这种材料可用于隔振器件。近年来，研究者基于介电弹性材料提出了许多作动器器件，而圆筒型作动器由于制作简单而被广泛的应用。但是目前所提出的这些圆筒型作动器在外载荷和外高压激励时容易发生弯曲变形，不易应用用于对稳定性要求较高的振动隔振控制中。且这些圆筒型作动器大多数仅采用单层经过预拉伸的介电弹性薄膜缠绕而成，这样的介电弹性薄膜在圆筒形作动器中容易发生径向缩进现象，这使得隔振器在正常工作中性能不稳定。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器及隔振方法，具有大变形、高阻尼和主被动隔振控制的特点，可实现主被动一体化隔振功能，而且结构简单，使用方便，应用广泛，成本低廉。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：包括通过螺钉2连接固定的下部端盖3与下端连接件1，通过螺钉2连接固定的上部端盖9与上端连接件5，直线法兰轴承8套入上部端盖9中心并通过螺钉固定，中间连接轴7与直线法兰轴承8间隙配合并通过螺纹与下部端盖3连接固定，压缩弹簧4的两端被固定在上部端盖9和下部端盖3之间，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6缠绕在上部端盖9和下部端盖3周圈以及上部端盖9和下部端盖3之间区域的周圈，当隔振器在静止状态时，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6与压缩弹簧4达到平衡状态，分别从复合介电弹性薄膜6的两侧引出导电引线10；使用时，被隔振的物体11固定在上部连接件5的顶端，下端连接件1与振源连接。
所述下部端盖3、下端连接件1、上部端盖9和上端连接件5均进行开孔处理。
所述经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6包括纤维夹芯介电弹性材料薄膜，涂敷在纤维夹芯介电弹性材料薄膜两面的导电碳膏13，以及黏贴在一面的导电碳膏13外的介电弹性材料薄膜隔离层12；缠绕经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6时，所述介电弹性材料薄膜隔离层12缠绕在外层。
所述介电弹性材料薄膜隔离层12为3M公司生产的VHB型胶带。
所述纤维夹芯介电弹性材料薄膜中的纤维夹芯为尼龙纤维14。
所述上部端盖9、下部端盖3和上端连接件5为非导电材料，下端连接件1为刚度大的材料。
所述导电引线10为双面导电铜箔。
上述所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器的隔振方法，隔振器在静止状态时，压缩弹簧4与经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6相互作用达到平衡，当振源振动时，与振源连接的下端连接件1和与被隔振物体11连接的上端连接件5相对运动，被动隔振工作状态时，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6通过内部的相互摩擦产生与运动方向相反的阻尼力，降低被隔振物体11的共振峰值实现被动隔振的目的；利用经过预拉伸的复合介电弹性薄膜的电压驱动伸缩的特性，半主动隔振工作状态时，给导电引线10输入直流电压，隔振器沿着中间轴7伸长，隔振器的刚度将下降，避免被隔振物体11的固有频率与振源的振动频率一致时产生共振，实现隔振器的半主动控制；主动隔振工作状态时，给导电引线10输入直流电压与交流电压组合的形式，隔振器产生沿着中间轴7方向的作动力，实现主动隔振控制的需求。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、目前常见的圆筒型作动器多数用于有弯曲作动需求的机械手臂中，由于作动器的弯曲导致振动隔振性能的不稳定性，因此这样的作动器并不能直接应用于振动隔振中，本发明把中间连接轴和直线法兰轴承应用于隔振器中，使得所提出的复合介电弹性材料隔振器在外激励载荷或外加高压电荷时只能沿着一个方向进行运动，且具有较好的单向隔振性能。
2、目前常见的圆筒型作动器仅采用涂敷导电碳膏的单层介电弹性薄膜缠绕而成，经过预拉伸处理后的介电弹性薄膜缠绕在作动器后易发生径向缩进现象，尤其是圆通型作动器内置有弹簧，介电弹性薄膜容易缩进粘附到弹簧上而影响隔振器的性能；本发明克服了这一缺陷，把纤维夹芯的复合介电薄膜应用于隔振器中，使得隔振器径向缩进现象大大减少。
3、没有开孔处理的端盖，隔振器内部空间近似处于封闭状态，当隔振器工作时，隔振器内部不流通的空气会形成空气柱，这样将影响隔振器的隔振性能；因此本发明隔振器中的所有端盖和和连接件在适当位置均已开孔处理，减少封闭的空气对隔振器性能的影响。
4、为了避免加载电压时候作动器发生短路现象，目前常见的处理措施是把涂敷有同种电极的介电弹性材料薄膜相互叠加起来缠绕；而本发明隔振器缠绕的经过预拉伸的复合介电弹性薄膜由纤维夹芯介电弹性材料薄膜、导电碳膏和单层介电弹性材料薄膜隔离层组成，在缠绕过程中可避免短路现象发生。且单层介电弹性材料薄膜作为缠绕薄膜的外层，对夹芯介电弹性材料薄膜表面的导电碳膏起到保护作用。
5、因为经过预拉伸的复合介电弹性薄膜中的夹芯介电弹性材料薄膜的表面涂敷的导电碳膏，使得隔振器具有较大的阻尼特性，在不输入电载荷的情况下即可利用自身的阻尼特性进行被动隔振。
6、利用介电弹性材料薄膜的电压驱动伸缩的特性，当隔振器的被动性能无法满足工程需求的时候，通过给导电引线输入直流电压载荷，隔振器沿着中间轴7伸长，隔振器的刚度将下降，可避免被隔振物体的固有频率与振源的振动频率一致时产生共振，可实现隔振器的半主动隔振控制。
7、当隔振器的被动性能和半主动隔振性能无法满足工程需求的时候，给导电引线10输入直流电压与交流电压组合的形式，隔振器可产生沿着中间轴7方向的作动力，实现主动隔振控制的需求。
总之，本发明提出的介电弹性材料主被动一体化隔振器，对幅值大和基础激励频率复杂多变的隔振结构都具有很好的隔振效果。而且本发明提出的隔振器结构简单，价格低廉，使用方便，可应用范围广。
附图说明
图1为本发明复合介电弹性材料主被动一体化隔振器剖视图。
图2为本发明隔振器下视图。
图3为本发明隔振器上视图。
图4为复合介电弹性材料结构示意图。
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，本发明一种采用复合介电弹性材料主被动一体化隔振器，包括通过螺钉2连接固定的下部端盖3与下端连接件1，通过螺钉2连接固定的上部端盖9与上端连接件5，直线法兰轴承8套入上部端盖9中心并通过螺钉固定，中间连接轴7与直线法兰轴承8间隙配合并通过螺纹与下部端盖3连接固定，压缩弹簧4的两端被固定在上部端盖9和下部端盖3之间，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6缠绕在上部端盖9和下部端盖3周圈以及上部端盖9和下部端盖3之间区域的周圈，当隔振器在静止状态时，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6与压缩弹簧4达到平衡状态，分别从复合介电弹性薄膜6的两侧引出导电引线10，使用时，被隔振的物体11固定在上部连接件5的顶端，下端连接件1与振源连接。
如图2和图3所示，为了增大内部空间空气的流通，减少封闭空间产生的空气柱对本发明隔振器的隔振性能的影响，本发明对结构中的下部端盖3、下端连接件1、上部端盖9和上端连接件5在适当的位置进行开孔处理。
本发明的隔振器所用的经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6如图4所示，包括纤维夹芯介电弹性材料薄膜，涂敷在纤维夹芯介电弹性材料薄膜两面的导电碳膏13，以及黏贴在一面的导电碳膏13外的介电弹性材料薄膜隔离层12，缠绕经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6时，所述介电弹性材料薄膜隔离层12缠绕在外层。这样可避免加载电压时，缠绕在上部端盖9和下部端盖3上的涂敷导电碳膏13的夹芯介电弹性薄膜发生短路，同时可通过增加纤维夹芯介电弹性薄膜层的方法来达到不同缠绕层数的需求。
作为本发明的优选实施方式，所述的上部端盖9、下部端盖3和上端连接件5均为不导电材料，如尼龙材料。
作为本发明的优选实施方式，所述的下端连接件1为刚度较大的材料，如304不锈钢。
作为本发明的优选实施方式，所述的介电弹性薄膜隔离层12为3M公司生产的VHB型胶带。
作为本发明的优选实施方式，所述的导电引线10为导电铜箔。
作为本发明的优选实施方式，所述的纤维夹芯介电弹性材料薄膜中的纤维夹芯为尼龙纤维14。
本发明隔振方法如下：如附图1所示，隔振器在静止状态时，压缩弹簧4与经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6相互作用达到平衡，当振源振动时，与振源连接的下端连接件1和与被隔振物体11连接的上端连接件5相对运动，被动隔振工作状态时，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜6通过内部的相互摩擦产生与运动方向相反的阻尼力，降低被隔振物体11的共振峰值实现被动隔振的目的；利用经过预拉伸的复合介电弹性薄膜的电压驱动伸缩的特性，半主动隔振工作状态时，给导电引线10输入直流电压，隔振器沿着中间轴7伸长，隔振器的刚度将下降，可避免被隔振物体11的固有频率与振源的振动频率一致时产生共振，实现隔振器的半主动控制；主动隔振工作状态时，给导电引线10输入直流电压与交流电压组合的形式，隔振器产生沿着中间轴7方向的作动力，实现主动隔振控制的需求。
综上，本发明所提出的复合介电弹性材料主被动一体化隔振器，具有大变形，高阻尼和主被动一体化隔振控制特点。
Claims (8)
1.一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：包括通过螺钉(2)连接固定的下部端盖(3)与下端连接件(1)，通过螺钉(2)连接固定的上部端盖(9)与上端连接件(5)，直线法兰轴承(8)套入上部端盖(9)中心并通过螺钉固定，中间连接轴(7)与直线法兰轴承(8)间隙配合并通过螺纹与下部端盖(3)连接固定，压缩弹簧(4)的两端被固定在上部端盖(9)和下部端盖(3)之间，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)缠绕在上部端盖(9)和下部端盖(3)周圈以及上部端盖(9)和下部端盖(3)之间区域的周圈，当隔振器在静止状态时，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)与压缩弹簧(4)达到平衡状态，分别从复合介电弹性薄膜(6)的两侧引出导电引线(10)；使用时，被隔振的物体(11)固定在上部连接件(5)的顶端，下端连接件(1)与振源连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：所述下部端盖(3)、下端连接件(1)、上部端盖(9)和上端连接件(5)均进行开孔处理。
3.根据权利要求1所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：所述经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)包括纤维夹芯介电弹性材料薄膜，涂敷在纤维夹芯介电弹性材料薄膜两面的导电碳膏(13)，以及黏贴在一面的导电碳膏(13)外的介电弹性材料薄膜隔离层(12)；缠绕经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)时，所述介电弹性材料薄膜隔离层(12)缠绕在外层。
4.根据权利要求3所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：所述介电弹性材料薄膜隔离层(12)为3M公司生产的VHB型胶带。
5.根据权利要求3所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：所述纤维夹芯介电弹性材料薄膜中的纤维夹芯为尼龙纤维(14)。
6.根据权利要求1所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：所述上部端盖(9)、下部端盖(3)和上端连接件(5)为非导电材料，下端连接件1为刚度大的材料。
7.根据权利要求1所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器，其特征在于：所述导电引线(10)为双面导电铜箔。
8.权利要求1所述的一种采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器的隔振方法，其特征在于：隔振器在静止状态时，压缩弹簧(4)与经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)相互作用达到平衡，当振源振动时，与振源连接的下端连接件(1)和与被隔振物体(11)连接的上端连接件(5)相对运动，被动隔振工作状态时，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)通过内部的相互摩擦产生与运动方向相反的阻尼力，降低被隔振物体(11)的共振峰值实现被动隔振的目的；利用经过预拉伸的复合介电弹性薄膜(6)的电压驱动伸缩的特性，半主动隔振工作状态时，给导电引线(10)输入直流电压，隔振器沿着中间轴(7)伸长，隔振器的刚度将下降，避免被隔振物体(11)的固有频率与振源的振动频率一致时产生共振，实现隔振器的半主动控制；主动隔振工作状态时，给导电引线(10)输入直流电压与交流电压组合的形式，隔振器产生沿着中间轴(7)方向的作动力，实现主动隔振控制的需求。
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