CN107299954A - 一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器，属于机械振动领域。减振装置包括被控对象和磁流变弹性体吸振器，其中磁流变吸振器由摆动振子、导磁铁芯、励磁线圈、机械调节装置和磁流变弹性体组成。吸振器可通过改变自身结构来改变吸振器的基本固有频率，在基本固有频率的基础上，通过磁流变弹性体精确调节吸振器的固有频率，从而满足系统中被控对象与吸振器之间的内共振要求，通过能量交换中的阻尼消耗振动能量，达到减振目的。本发明利用了内共振进行减振，减振效果明显，并且针对磁流变弹性体的磁致模量变化范围不大的缺陷，在吸振器结构中加入了机械调节装置，使得吸振器可以适应多种类型的被控对象。

Description

一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器

技术领域

本发明属于半主动式吸振器，具体涉及一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器。属于机械振动领域。具体可应用于发动机吸振与柔性机械臂吸振等多种场合。

背景技术

机器在运行过程中经常会产生有害振动。这种有害振动可能会干扰精密机械的运行、引起操作人员的不适，甚至造成机构的损伤。

例如，车辆发动机在工作过程中会因为自身运作与路面颠簸而产生振动。这种振动通过车体结构传导至驾驶舱，使驾驶舱内产生噪声与抖动。若驾驶员长时间处于这种噪声与抖动之中，就极易产生视觉疲劳、精神不集中以及肢体麻木等不良反应。这很容易导致交通安全事故。

再例如，柔性机械臂在运行过程中会因为负载与驱动力的变化导致柔性臂发生反复形变，从而产生振动。这种振动会会影响机械臂末端的定位精度，振动幅度过大时，甚至可能导致机械臂的控制系统失稳。

为减少有害振动对于机器与人员的影响，主要有两种方法被应用于振动控制，即隔振与吸振。

例如，目前，大部分车辆采用隔振的方法来消减发动机振动对于驾驶舱的影响，具体做法是在发动机与车架间添加悬置，从而减少发动机传导至驾驶舱的振动。但是这种方式十分被动，在面对不同的发动机工况与不同的路况时，减振效果差异很大，因此减振效果一般。而在柔性机械臂的场合，振动源自于系统整体，无法选出一部分作为振源进行隔离，所以无法应用隔振法。

吸振是进行振动控制的另一项重要技术。这种方法通过在被控对象的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统，即动力吸振器，来改变被控对象的振动状态，将被控对象上的振动能量转移到子系统上，再通过子系统的阻尼将振动能量耗散掉，从而达到减振的目的。改变该子系统的动力参数、结构形式及与被控对象的耦合关系，就可以有效吸收各种工况下的振动。动力吸振器主要可以划分为三种类型：被动式吸振器、半主动式吸振器和主动式吸振器。其中半主动吸振器具有吸振频带宽、能耗低的优点，已成为吸振技术的重要发展方向。

通常情况下，线性振动理论被用于吸振器的数学建模与控制。但实际工程中，很多振动不能单纯地视为线性振动。

例如，某些特种发动机的振动形式复杂，振动频带宽。这种振动不能简单地视为线性振动的叠加，必须考虑振动中的非线性项；柔性机械臂是一个刚柔耦合的复杂动力学系统，而柔性臂作为其重要组成部分具有很强的非线性，因此柔性机械臂的振动也具有很强的非线性。

因此，使用非线性振动理论来进行吸振器的建模与控制是值得研究的。

内共振为非线性振动系统特有的现象。对于振动系统中的两个固有频率，在满足内共振条件时，两个振动模态强烈地耦合，发生一种振动激发另一种振动的现象，称为非线性系统振动的内共振现象。通过内共振可以实现系统内不同模态之间的能量传递。如果某一阶内共振模态存在着一定的阻尼，那么该模态就会利用内共振所建立的能量交换机制不断从其它内共振模态那里获取能量并且通过阻尼耗散其振动能量。因此可以通过内共振来实现被控对象的吸振。

磁流变弹性体是一种高分子化合物与磁性颗粒混合组成的复合材料。将微米级别的磁性颗粒投入到高分子化合物中，搅拌均匀，放置在强磁场下进行固化后可制成磁流变弹性体。改变通过磁流变弹性体的磁场的强度，就可以改变磁流变弹性体的刚度。利用这一特性，可以使用磁流变弹性体制作刚度可控，即固有频率可控的吸振器。

磁流变弹性体兼有弹性体和磁流变材料的特点，具有可逆性、结构简单、稳定性好并且其模量变化对于磁场变化的响应十分迅速。但是磁流变弹性体的磁致模量变化范围只有2MPa左右，单纯地改变磁流变弹性体的刚度并不足以使吸振器适应各种被控对象。

为解决以上问题，本发明提出一种“机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器”，调节吸振器的机械结构可以使其适应不同的被控对象。吸振器工作时，通过控制磁流变弹性体的刚度来控制自身的固有频率，与被控对象构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的。

发明内容

本发明旨减小机器在运行过程中产生的有害振动对于机器与人员的不良影响，提出了一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器。这种吸振器通过控制磁流变弹性体的刚度来控制自身的固有频率，与被控对象构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的。并且，针对磁流变弹性体的磁致模量变化范围不大的缺陷，本发明在吸振器结构中加入了机械调节装置，使得吸振器可以适应多种类型的被控对象。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器，包括被控对象与安装在被控对象上的吸振器；吸振器通过四个螺钉安装在被控对象的固定孔上。

吸振器包括1个安装基座、1个转轴座、1个摆动振子以及励磁控制部分；吸振器与发动机连接用的安装孔位于安装基座上；转轴座通过螺钉固定在安装基座上；摆动振子通过1个转轴螺钉与转轴座连接，形成一个转动副。

励磁控制部分包括1个励磁装置底板、1个磁流变弹性体、1个磁流变弹性体固定件、1个磁流变弹性体振子连接件、1个C型锁紧件、1个蝶形螺钉、1个导磁铁芯、2个铁芯固定座、2个铁芯固定板、1个励磁线圈、4个T型槽螺栓、4个蝶形螺母；导磁铁芯包括导磁铁芯主体与导磁铁芯支臂，这两部分通过螺钉固定；励磁线圈套在导磁铁芯主体上，并通过螺钉固定在励磁装置底板上；两组铁芯固定座与铁芯固定板夹住导磁铁芯，并通过螺钉螺母夹紧，使铁芯固定座与导磁铁芯固定在一起；两个铁芯固定座通过螺钉固定在励磁装置底板上，使得导磁铁芯与励磁装置底板相对固定。磁流变弹性体固定件通过螺钉固定在励磁装置底板上；磁流变弹性体的一面与磁流变弹性体固定件通过专用胶粘接固定在一起；磁流变弹性体的另一面与磁流变弹性体振子连接件通过专用胶粘接固定在一起；磁流变弹性体振子连接件通过一个转轴螺钉与C型锁紧件连接，形成一个转动副；C型锁紧件套在摆动振子杆部，形成一个移动副，同时使用蝶形螺钉固定移动位置，固定后摆动振子的摆动就受到磁流变弹性体的限制，并且摆动振子杆部刻有刻度，可以精确指示C型锁紧件在摆动振子杆部的位置；励磁装置底板通过4个T型槽螺栓与安装基座上的2个T型槽连接，形成一个移动副，同时使用蝶形螺母固定移动位置。

摆动振子可绕其转轴做摆动，并由磁流变弹性体为其提供回复力与阻尼，因此摆动振子在磁流变弹性体的限制下做小幅度摆动振动，构成了吸振器的振动系统。调节吸振器的固有频率，使吸振器与发动机构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的；

当C型锁紧件与摆动振子间的移动副以及励磁装置底板与安装基座间的移动副均未锁紧时，可以调节磁流变弹性体与摆动振子相互作用的位置，这改变了振动系统的结构参数，进而可以在比较大的范围内改变吸振器的固有频率，锁紧两个移动副后，吸振器就有了一个基本固有频率；在基本固有频率的基础上，通过磁流变弹性体在一定范围内精确调节吸振器的固有频率；

励磁电流通过励磁线圈产生磁场，该磁场经由导磁铁芯的引导穿过磁流变弹性体。通过控制励磁电流的大小就可以在一定范围内精确控制磁流变弹性体刚度的大小，即在一定范围内精确控制了振动系统的动力学参数，进而可以在一定范围内精确调节吸振器的固有频率；

在安装吸振器前，根据被控对象调整并固定磁流变弹性体与摆动振子相互作用的位置；吸振器工作时，通过控制磁流变弹性体的刚度来精确调节吸振器的固有频率，与被控对象构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过內共振构造被控对象与吸振器间的能量交换通道，可以有效吸收被控对象产生的振动。

2.本发明使用磁流变弹性体对吸振器的固有频率进行实时控制，可以适应被控对象工况的快速变化。

3.本发明为了克服了磁流变弹性体磁致模量变化范围较小的缺点，采用了先机械调节再电磁控制的双级调节的方式，使吸振器既可以适应多种类型的被控对象，又可以精确控制自身的固有频率，以确保吸振的效果，大大提高了吸振器的适应性。

附图说明

图1为本发明一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器的安装示意图。

图2a、b为摆动振子安装示意图。

图3为一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器的示意图。

图4为导磁铁芯示意图。

图5为导磁装置示意图。

图6为导磁铁芯固定座安装示意图。

图7为摆动振子与磁流变弹性体连接示意图。

图8为励磁装置底板与安装基座形成的移动副示意图。

图9为机械调节吸振器基本固有频率示意图。

图10本发明减振装置实际工作原理图。

附图中：1、被控对象，2、安装基座，3、摆动振子，4、转轴座，5、C型锁紧件，6、磁流变弹性体振子连接件，7、蝶形螺钉，8、磁流变弹性体，9、磁流变弹性体固定件，10、励磁装置底板，11、蝶形螺母，12、T型槽螺栓，13、铁芯固定座，14、铁芯固定板，15、导磁铁芯主体，16、励磁线圈，17、导磁铁芯支臂，18、程控电源，19、计算机，20、数据采集系统，21、电荷放大器，22、加速度传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器通过四个螺钉安装在被控对象1上；吸振器包括安装基座2、摆动振子3、转轴座4以及励磁控制部分；转轴座4通过螺钉固定在安装基座2上；

如图2-a、b所示，摆动振子3通过1个转轴螺钉与转轴座4连接，形成一个转动副。

如图3所示，励磁控制部分包括C型锁紧件5、磁流变弹性体振子连接件6、蝶形螺钉7、磁流变弹性体8、磁流变弹性体固定件9、励磁装置底板10、蝶形螺母11、T型槽螺栓12、铁芯固定座13、铁芯固定板14、导磁铁芯主体15、励磁线圈16、导磁铁芯支臂17；

如图4所示，导磁铁芯主体15与导磁铁芯支臂17组成导磁铁芯，这两部分通过螺钉固定在一起；

如图5所示，励磁线圈16套在导磁铁芯主体15上，并通过螺钉固定在励磁装置底板10上；两组铁芯固定座13与铁芯固定板14夹住导磁铁芯，并通过螺钉螺母夹紧，使铁芯固定座13与导磁铁芯固定在一起；

如图6所示，两个铁芯固定座13通过螺钉固定在励磁装置底板10上，使得导磁铁芯与励磁装置底板10相对固定；

如图7所示，磁流变弹性体固定件9通过螺钉固定在励磁装置底板10上；磁流变弹性体8的一面与磁流变弹性体固定件9通过专用胶粘接固定在一起；磁流变弹性体8的另一面与磁流变弹性体振子连接件6通过专用胶粘接固定在一起；磁流变弹性体振子连接件6通过一个转轴螺钉与C型锁紧件5连接，形成一个转动副；C型锁紧件5套在摆动振子3杆部，形成一个移动副，同时使用蝶形螺钉7固定移动位置，固定后摆动振子3的摆动就受到磁流变弹性体8的限制，并且摆动振子3杆部刻有刻度，可以精确指示C型锁紧件5在摆动振子3杆部的位置；

如图8所示，励磁装置底板10通过4个T型槽螺栓12与安装基座2上的2个T型槽连接，形成一个移动副，同时使用4个蝶形螺母11与4个锁紧垫圈固定移动位置。

摆动振子3可绕其转轴做摆动，并由磁流变弹性体8为其提供回复力与阻尼，因此摆动振子3在磁流变弹性体8的限制下做小幅度摆动振动，构成了吸振器的振动系统。调节吸振器的固有频率，使吸振器与被控对象构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的；

如图9所示，当C型锁紧件5与摆动振子3间的移动副，以及励磁装置底板10与安装基座2间的移动副均未锁紧时，可以调节磁流变弹性体8与摆动振子3相互作用的位置，这改变了振动系统的结构参数，进而可以在比较大的范围内改变吸振器的固有频率，锁紧两个移动副后，吸振器就有了一个基本固有频率；在基本固有频率的基础上，通过磁流变弹性体在一定范围内精确调节吸振器的固有频率；

励磁电流通过励磁线圈16产生磁场，该磁场经由导磁铁芯的引导穿过磁流变弹性体8。通过控制励磁电流的大小就可以在一定范围内精确控制磁流变弹性体8刚度的大小，即在一定范围内精确控制了吸振器振动系统的动力学参数，进而可以在一定范围内精确调节吸振器的固有频率；

如图10所示，本发明中吸振器实际工作原理图还包括，程控电源18、计算机19、数据采集系统20、电荷放大器21和加速度传感器22。加速度传感器22采集发动机振动的反馈信号，该信号经过电荷放大器21放大，由数据采集系统20采集该信号，传给计算机19进行处理。计算机19根据处理结果向程控电源18发送控制信号，改变励磁线圈16中的励磁电流，调节吸振器的固有频率，使得吸振器与被控对象1可以持续形成內共振，保证最大程度的吸振效果。

本发明利用内共振方法控制被控对象的振动，该方法具体步骤如下:

1.在安装吸振器前，根据被控对象的种类与型号调整并固定磁流变弹性体8与摆动振子3相互作用的位置，确定吸振器的基本固有频率，使之大致为被控对象工作时的固有频率的一半；

2.将吸振器与加速度传感器22正确安装到被控对象上；

3.被控对象工作时，加速度传感器22采集发动机振动的反馈信号，该信号经过电荷放大器21放大，由数据采集系统20采集该信号，传给计算机19进行处理；

4.计算机19根据处理结果向程控电源18发送控制信号，改变励磁线圈16中的励磁电流，从而通过改变磁流变弹性体8的刚度来精确调节吸振器的固有频率，使得吸振器与被控对象1可以持续形成內共振，并不断耗散振动能量，保证最大程度的减振。

Claims (12)

1.一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器，其特征在于：包括安装基座(2)、摆动振子(3)、转轴座(4)以及励磁控制部分。所述安装基座(2)将吸振器固定在被控对象(1)上，所述转轴座(4)固定在安装基座(2)上。

2.根据权利要求1所述的吸振器，其特征在于：所述摆动振子(3)与转轴座(4)连接，形成一个转动副，所述转轴垂直于安装基座(2)，使摆动振子(3)可以相对于转轴座(4)做摆动振动。

3.根据权利要求1所述的吸振器，其特征在于：所述励磁控制部分包括C型锁紧件(5)、磁流变弹性体振子连接件(6)、夹紧螺钉(7)、磁流变弹性体(8)、磁流变弹性体固定件(9)、励磁装置底板(10)、铁芯固定座(11)、铁芯固定板(12)、导磁铁芯(13)、励磁线圈(14)。

4.根据权利要求3所述的吸振器，其特征在于：所述励磁线圈(14)套在导磁铁芯(13)上，并固定在励磁装置底板(10)上。所述铁芯固定座(11)与铁芯固定板(12)夹紧导磁铁芯(13)，使铁芯固定座(11)与导磁铁芯(13)固定在一起。

5.根据权利要求3所述的吸振器，其特征在于：所述铁芯固定座(11)固定在励磁装置底板(10)上，使得导磁铁芯(13)与励磁装置底板(10)相对固定。

6.根据权利要求1、2、3所述的吸振器，其特征在于：所述磁流变弹性体固定件(9)固定在励磁装置底板(10)上。磁流变弹性体(8)的一面与磁流变弹性体固定件(9)粘接固定在一起。磁流变弹性体(8)的另一面与磁流变弹性体振子连接件(6)粘接固定在一起。所述磁流变弹性体振子连接件(6)与C型锁紧件(5)连接，形成一个转动副，所述转轴方向垂直于安装基座(2)。所述C型锁紧件(5)套在摆动振子(3)杆部，形成一个移动副，同时使用夹紧螺钉(7)固定移动位置，固定后摆动振子(3)的摆动就受到磁流变弹性体(8)的限制。所述摆动振子(3)杆部刻有刻度，可以精确指示C型锁紧件(5)在摆动振子(3)杆部的位置。

7.根据权利要求1、3所述的吸振器，其特征在于：所述安装基座(2)上加工有槽孔。励磁装置底板(10)与所述槽孔，形成一个移动副，使励磁装置底板(10)可以沿着所述槽孔方向平移。同时可以固定励磁装置底板(10)的移动位置。

8.根据权利要求2、3、6所述的吸振器，其特征在于：所述摆动振子(3)可绕其转轴做摆动，并由磁流变弹性体(8)为其提供回复力与阻尼。所述摆动振子(3)在磁流变弹性体(8)的限制下做小幅度摆动振动，构成吸振器的振动系统。

9.根据权利要求2、6、7、8所述的吸振器，其特征在于：所述C型锁紧件(5)与摆动振子(3)间的移动副，以及励磁装置底板(10)与安装基座(2)间的移动副均未锁紧时，可以调节磁流变弹性体(8)与摆动振子(3)相互作用的位置，从而改变了所述吸振器的结构参数，进而可以在比较大的范围内改变吸振器的固有频率，锁紧所述两个移动副后，吸振器就有了一个基本固有频率；在基本固有频率的基础上，可以通过磁流变弹性体(8)在一定范围内精确调节吸振器的固有频率。

10.根据权利要求4、5、6、9所述的吸振器，其特征在于：所述励磁线圈(14)中通过励磁电流产生磁场，该磁场经由导磁铁芯(13)的引导穿过磁流变弹性体(8)。通过控制励磁电流的大小就可以在一定范围内精确控制磁流变弹性体(8)刚度的大小，即在一定范围内精确控制了吸振器的动力学参数，进而可以在一定范围内精确调节吸振器的固有频率。

11.一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器，其特征在于：减振控制方法主要通过反馈控制回路完成，反馈控制回路包括程控电源(15)、计算机(16)、数据采集系统(17)、电荷放大器(18)和加速度传感器(19)。

12.根据权利要求10、11所述的吸振器，其特征在于：所述加速度传感器(19)采集被控对象振动的反馈信号，该信号经过电荷放大器(18)放大，由数据采集系统(17)采集该信号，传给计算机(16)进行处理。计算机(16)根据处理结果向程控电源(15)发送控制信号，改变励磁线圈(14)中的励磁电流，调节吸振器的固有频率，使得吸振器与被控对象(1)可以持续形成內共振，保证最大程度的吸振效果。