CN108825720B - 一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，包括摇臂、弹簧、运动放大机构、圆环振子、涡流阻尼器，所述摇臂一端与弹性结构端部垂直固定，另一端连接弹簧，所述摇臂呈圆周布置；所述弹簧的另一端与运动放大机构的主动件相连，运动放大机构的从动件与圆环振子相连，所述涡流阻尼器转子与圆环振子相连，定子与运动放大机构固定件相连，通过运动放大机构实现等效转动惯量放大，从而实现弹性结构的横向振动与圆环振子扭转振动的能量传递。本发明通过扭转振动吸收耗散被保护体横向弯曲振动能量，转动无行程限制，运动空间确定，杜绝与其他机构产生碰撞干涉的可能。

Description

一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器
技术领域
本发明涉及机械减振领域，特别是一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器。
背景技术
振动控制在诸如军事、基础设施、航空航天、精密测量测控等工程领域中具有非常重要的意义。线性吸振器是被动控制领域中最早也最为常见的一种振动抑制装置，然而其对工作频率非常敏感，工作频域外效率会快速下降；特别重要的是它会对原系统自由振动特性产生影响，改变原设计性能。作为改进，非线性被应用于消振器中。非线性消振器由于不存在线性共振频率，可以实现宽频振动控制，并且对原系统的自由振动特性无影响。但是，目前应用在弹性连续体横向振动控制的非线性消振器多采用直线运动振子，存在运动范围大，安装维护不便的缺陷；并且在微振动环境下的控制效率还有待提高。
发明内容
本发明提出了一种使用扭转振子的非线性消振器，改变了现有消振器的能量传递方式；通过特殊机械机构减小了振子质量，缩小了振子运动范围，提升了安装便利性，提高了振动控制效率，适用于各种振动环境下的减振。
为达到上述目的，本发明构思如下：
弹性连续结构横向弯曲振动时其边界处会偏转一定角度，通过摇臂将这一转动输出，利用弹簧连接摇臂输出端及圆环振子输入端。由于圆环振子输入端与摇臂转动角度不同，弹簧会产生一定变形，这种变形会给圆环振子带来非线性的转矩，同时也会给弹性连续体端部带来附加的非线性约束扭矩。通过这套机械结构即实现了圆环振子与弹性连续体的非线性耦合，架通了横向弯曲振动与扭转振动能量传递的桥梁。
根据上述构思，本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，包括摇臂、弹簧、运动放大机构、圆环振子、涡流阻尼器，所述摇臂一端与弹性结构端部垂直固定，另一端连接弹簧，所述摇臂呈圆周布置；所述弹簧的另一端与运动放大机构的主动件相连，运动放大机构的从动件与圆环振子相连，所述涡流阻尼器转子与圆环振子相连，定子与运动放大机构固定件相连，通过运动放大机构实现等效转动惯量放大，从而实现弹性结构的横向振动与圆环振子扭转振动的能量传递。
所述运动放大机构由行星齿轮构成，其中主动件与弹簧一端相连，从动件与圆环振子相连。
所述行星齿轮的结构为太阳轮为固定件，行星架为主动件，外围齿圈为从动件。或者所述行星齿轮的结构为太阳轮为从动件，行星架为主动件，外围齿圈为固定件。或者所述行星齿轮的结构为太阳轮为从动件，行星架为固定件，外围齿圈为主动件。
所述涡流阻尼器为液涡流阻尼器或电涡流阻尼器，液涡流阻尼器由液体涡流将机械能转变为热能进行耗散，电涡流阻尼器由电磁感应将机械能转变为电能进而转化为热能进行耗散。
本发明的工作原理如下：
某些情况下，弯曲振动是微小的。为提高振动控制效率，将圆环振子安装于一套运动放大机构上，实现扭转振子输入端旋转振动的放大。如果运动放大机构放大率为η，那么振子转动速度将会放大η倍，这提高了能量耗散的效率；特别的是圆环振子的等效转动惯量会提高η2倍，这大大减小了吸振器的质量及尺寸。通过这套运动放大机构，横向弯曲振动向扭转振动转化的效率大大提高，使得本发明提出的吸振结构可以适用于微振动环境。
能量耗散通过液涡流阻尼器或者电涡流阻尼器实现，定子与转子的相对转动产生了阻尼扭矩，因此它们没有任何转动范围限制。由于消振器圆环振子、涡流阻尼器、运动放大机构、摇臂的运动都是转动，使得消振器占用空间确定：外廓尺寸便是其运动空间。因此不需要特别地为消振器设计、预留运动空间，这减少了设计工作，也提高了载体空间利用效率。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明使用非线性振子，不改变原结构固有频率，具有宽频吸振效果。
本发明使用非线性阻尼，有效耗散振动能量，不会恶化高频区振动。
本发明使用转动放大机构，减小振子尺寸及质量，提高振动控制效率，适用各种振动环境，包括微振动环境。。
本发明安装于结构支撑处，维护方便；使用被动控制策略，结构可靠，低成本高效能，经久耐用。
本发明通过扭转振动吸收耗散被保护体横向弯曲振动能量，转动无行程限制，运动空间确定，杜绝与其他机构产生碰撞干涉的可能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明运动放大机构的结构示意图之一。
图3是本发明运动放大机构的结构示意图之二。
图4是本发明运动放大机构的结构示意图之三。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，包括摇臂1、弹簧2、运动放大机构3、圆环振子4、涡流阻尼器5，所述摇臂1一端与弹性结构端部垂直固定，另一端连接弹簧2，所述摇臂1呈圆周布置；所述弹簧2的另一端与运动放大机构3的主动件相连，运动放大机构3的从动件与圆环振子4相连，所述涡流阻尼器5转子与圆环振子4相连，定子与运动放大机构3固定件相连，通过运动放大机构3实现等效转动惯量放大，从而实现弹性结构的横向振动与圆环振子4扭转振动的能量传递。
所述运动放大机构3由行星齿轮构成，其中主动件与弹簧2一端相连，从动件与圆环振子4相连。优选地，所述行星齿轮的结构为太阳轮为固定件，行星架为主动件，外围齿圈为从动件。或者，所述行星齿轮的结构为太阳轮为从动件，行星架为主动件，外围齿圈为固定件。或者，所述行星齿轮的结构为太阳轮为从动件，行星架为固定件，外围齿圈为主动件。
所述涡流阻尼器5为液涡流阻尼器或电涡流阻尼器，液涡流阻尼器由液体涡流将机械能转变为热能进行耗散，电涡流阻尼器由电磁感应将机械能转变为电能进而转化为热能进行耗散。
本发明工作过程如下：
本实施例的弹性结构如图1所示为弹性梁，其也可以是弹性柱，板，壳等弹性结构。弹性梁的横向弯曲振动会在端部产生一定转角，利用摇臂1将该转角输出，通过弹簧2将输出的转角传递至运动放大机构3。由于运动放大机构3的主动件与摇臂1的转角存在一定差异，弹簧2将会发生一定变形，进而产生沿弹簧2轴线的恢复力。由于弹簧2轴线此时已经与圆环振子4径向错开一定角度，使得弹簧2在几何非线性作用下对圆环振子4产生了非线性的驱动扭矩。与此同时，弹簧2中的恢复力也在几何非线性作用下对弹性梁产生了非线性的扭转约束，这使得圆环振子4与弹性梁的横向振动产生了非线性的耦合作用。运动放大机构3从动件与圆环振子4相连，将主动件产生的转角强制放大。通过运动放大机构3，如果运动放大机构放大率为η，圆环振子4转动速度变为运动放大机构3主动件的η倍，而圆环振子4的转动惯量也被放大η2倍。这不仅提高了能量耗散效能，也降低了圆环振子4的尺寸及质量。圆环振子4与涡流阻尼器5转子相连，阻尼器5定子固定于被保护体基座上，定子与转子间的相对运动产生了阻尼转矩，通过液体或者电磁感应将圆环振子4的机械能转化为热能耗散，最终抑制弹性梁横向振动，达到消振目的。

Claims (6)

1.一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，其特征在于：包括摇臂（1）、弹簧（2）、运动放大机构（3）、圆环振子（4）、涡流阻尼器（5），所述摇臂（1）一端与弹性结构端部垂直固定，另一端连接弹簧（2），所述摇臂（1）呈圆周布置；所述弹簧（2）的另一端与运动放大机构（3）的主动件相连，运动放大机构（3）的从动件与圆环振子（4）相连，所述涡流阻尼器（5）转子与圆环振子（4）相连，定子与运动放大机构（3）固定件相连，通过运动放大机构（3）实现等效转动惯量放大，从而实现弹性结构的横向振动与圆环振子（4）扭转振动的能量传递。
2.根据权利要求1所述的一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，其特征在于，所述运动放大机构（3）由行星齿轮构成。
3.根据权利要求2所述的一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，其特征在于，所述行星齿轮的结构为太阳轮为固定件，行星架为主动件，外围齿圈为从动件。
4.根据权利要求2所述的一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，其特征在于，所述行星齿轮的结构为太阳轮为从动件，行星架为主动件，外围齿圈为固定件。
5.根据权利要求2所述的一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，其特征在于，所述行星齿轮的结构为太阳轮为从动件，行星架为固定件，外围齿圈为主动件。
6.根据权利要求1所述的一种使用在弹性结构端部的非线性扭转消振器，其特征在于，所述涡流阻尼器（5）为液涡流阻尼器或电涡流阻尼器，液涡流阻尼器由液体涡流将机械能转变为热能进行耗散，电涡流阻尼器由电磁感应将机械能转变为电能进而转化为热能进行耗散。
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