CN110439967A - 一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器，包括第一端盖、轴套、外壳、隔板、第二端盖、粉体。粉体阻尼减振器结构完全沿轴中心线对称设计，隔板把内部分为多个大小形状一致空间，在每个封闭空间内填充占空比在85％‑95％范围相同类型和质量的粉体，确保结构装填粉体前后在平衡试验机上把该扭转阻尼减振器质量分布不平衡惯性力和惯性力偶控制在精度要求范围。当轴类零件出现角位移扭转振动时，粉体由于其自身及与隔板、壁板之间的碰撞、干摩擦和发热来吸收和消耗振动能量；同时减振器中粉体由于惯性的作用总会显现出与扭转振动轴的角加速度方向相反运动趋势，起到对轴角位移扭转振动的阻碍作用，增加超高速精密机床的定位和加工精度。
Description
技术领域
本发明属于振动噪声控制领域，涉及一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器。
背景技术
轴是组成机器的重要零件之一，作为回转运动的零件(如齿轮、蜗轮等)一般都装在轴上才能进行运动及动力的传递。轴的主要功能是支承回转零件、传递运动和动力。轴具有结构简单、传递载荷大、适应性强等特点，所以其在机械行业获得了广泛的应用。
然而，轴是一个弹性体，当其旋转时，由于轴和轴上零件转动惯量和制造误差等因素的作用，引起扭转振动。如果不采取预防措施，就会影响轴系运动精度和回转平稳性、加剧零件剪切疲劳破坏，甚至引起轴的折断。
而发明人发现目前相关精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器的研究相对稀少。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器，本发明对高速、高精度的机床运动精度和加工精度的提高有重要的实际应用价值。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，包括轴套、外壳、隔板、第一端盖、第二端盖、粉体；
所述轴套位于整个粉体阻尼减振器中心位置；所述外壳位于整个粉体阻尼减振器外侧与轴套保持很高的同轴度设置；所述隔板均匀分布在轴套和外壳之间，所述第一端盖与轴套、外壳的一端固定在一起；所述第二端盖与轴套和外壳的另一端固定在一起；
所述的轴套、外壳、第一端盖和第二端盖围成一个封闭的环形腔，所述的环形腔被多个隔板均匀的分成了多个大小相等封闭的扇形腔，在每个封闭扇形腔内填充相同类型和质量的粉体，粉体在每个空间体积的占空比在85％-95％范围；整个粉体阻尼减振器为中心对称及轴对称结构。
进一步地，所述的轴套为空心柱体，轴套结构既是中心对称也是轴对称分布。轴套的内侧空心部分是花键孔，和需要减小角位移扭转振动的轴通过花键精密配合连接；轴套的外侧是带定位凹槽的圆柱面，定位凹槽均匀分布，定位凹槽宽度与隔板厚度相同，其长度与隔板长度相同，隔板可以嵌入定位凹槽中一部分，凹槽与隔板小间隙配合。轴套的两个端面分别设置螺纹盲孔与销孔；其中，螺纹盲孔均匀分布，销孔对称分布。
进一步地，所述外壳为空心圆柱结构，其既是中心对称也是轴对称分布。外壳两个端面分别设置螺纹盲孔与销孔；其中，螺纹盲孔均匀分布，销孔对称分布，外壳外侧为光滑圆柱面，内侧是带定位凹槽的圆柱孔；定位凹槽在外壳内侧均匀设置多个，其宽度与隔板厚度相同，其长度与隔板长度相同，隔板可以嵌入定位凹槽中一部分，凹槽与隔板小间隙定心配合。
进一步地，所述多个隔板的形状、大小、质量完全相同，为矩形钢板；所需要的多个隔板质量相同；矩形隔板一侧嵌入轴套的定位凹槽内，另一侧嵌入外壳的定位凹槽内，隔板两侧凹槽对称线过粉体阻尼减振器的中心线。矩形隔板与第一端盖和第二端盖之间使用橡胶密封垫圈进行密封，防止粉体在不同的分割区间移动，破坏了阻尼减振器动、静平衡状态。
进一步地，所述第一端盖与第二端盖，结构完全相同，分别设置于粉体阻尼减振器的两端，端盖内侧设置两个大小不同的圆形定位台阶，轴套和外壳与端盖内侧的定位台阶均为高精度的小间隙定心配合，保证轴套和外壳达到很高的同柱度要求。
进一步地，端盖内圈的环形定位台阶和外圈的环形定位台阶上均匀设置多个通孔与销孔，内圈的环形定位台阶的通孔和外圈的环形定位台阶的通孔共线，两者连线交于角位移扭转阻尼减振器的轴心；内圈的环形定位台阶的销孔和外圈的环形定位台阶的销孔共线，两者连线也交于角位移扭转阻尼减振器的轴心。
进一步地，阻尼减振器所用的定位销属于圆锥销，所设置的销孔也为圆锥销孔；定位销通过销孔，进行零件之间精确定位。
进一步地，所述粉体颗粒为密度较大的耐磨金属颗粒，所述粉体颗粒为尺寸均匀、粒度较小、高强度、高密度且耐磨性能好的材料，可以为钨粉、铅粉、铁粉金属颗粒，也可以是其它种类的抗氧化、不易生锈的合金材料，但是注意不能使用易与轴套、外壳、隔板和端盖本体发生电化学反应而产生腐蚀的粉体颗粒。
在保证一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器自身静平衡和动平衡后，当传动轴类零件出现严重的静、动不平衡问题，轴产生的角位移扭转振动、径向振动、轴向窜动和倾角摆动振动时，只要在该轴上安装本发明的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器后，粉体由于其自身及其与隔板、壁板之间的碰撞、干摩擦和发热来吸收和消耗振动能量；同时角位移扭转粉体阻尼减振器中的粉体由于惯性的作用总会显现出与轴扭转振动的角加速度方向相反的运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，起到对不平衡轴扭转振动的平衡作用，即对轴的角位移来回扭转振动的阻碍作用，让超高速精密传动轴的角位移扭转振动快速衰减下来，显著增加了超高速精密机床送进控制轴的定位精度、重复定位精度和加工精度。
本发明公开的精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器，具体装配过程如下：在装填粉体微颗粒之前，将所有零件按要求安装好，在平衡试验机上分别作动、静平衡试验，通过增加配重或去除材料，使其静不平衡和动不平衡的质量达到设计要求。然后标记好各零件的相对位置，再将第一端盖上的两组圆柱头内六角螺钉拆卸下来，另一侧端盖保持不动，试着将粉体装填在某个封闭空间内，填充的占空比在85％-95％范围，然后将粉体倒在电子秤上，记录粉体的质量，使每个分隔空间装填相同类型和质量的粉体，装填完毕之后，严格对好标记，重新恢复各个零件相对位置，通过定位圆锥销和螺钉形成固定连接。
本发明的有益效果为：
1.本发明的精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器是由第一端盖、轴套、外壳、隔板、第二端盖、粉体组成，隔板将粉体阻尼减振器内部分成多个空间，粉体阻尼减振器内部填入具有一定流动性的粉体，在每个封闭空间内填充着占空比在85％-95％范围相同类型和质量的粉体。当轴类零件出现严重的静、动不平衡问题，轴产生的角位移扭转振动和其它方向振动时，粉体由于其自身及其与隔板、壁板之间的碰撞、干摩擦和发热来吸收和消耗振动能量；同时角位移扭转粉体阻尼减振器中的粉体由于惯性的作用总会显现出与扭转振动轴的角加速度方向相反的运动趋势，从而向不平衡的角加速度相反方向运动，起到对不平衡扭转振动轴的平衡作用，即对轴的角位移来回扭转振动的阻碍作用，让超高速精密传动轴的角位移扭转振动快速衰减下来，显著增加了超高速精密机床送进控制轴的定位精度、重复定位精度和加工精度。
2.矩形隔板一侧嵌入轴套的定位凹槽内，另一侧嵌入外壳的定位凹槽内，隔板两侧凹槽对称线过粉体阻尼减振器的中心线，且隔板与凹槽是小间隙定心配合；矩形隔板与第一端盖和第二端盖之间使用橡胶密封垫圈进行密封，防止粉体在不同的分割区间移动，破坏了阻尼减振器动、静平衡状态。
3.在平衡试验机上分别对阻尼减振器作动、静平衡试验，消除了阻尼减振器自身的质量分布不均对动、静平衡试验的影响，使结果更准确可靠。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器的主视图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为减震器原理图(a为角加速度)；
图4为第一端盖/第二端盖的主视图；
图5为图4的B-B剖视图；
图6为轴套的主视图；
图7为图6的C-C剖视图；
图8为外壳的主视图；
图9为图8的D-D剖视图。
图中零件：
1.轴套，2.轴套螺纹盲孔，3.轴套销孔，4.外壳，5.外壳销孔，6.外壳螺纹盲孔，7.外壳定位凹槽，8.隔板，9.轴套定位凹槽，10.轴套花键孔，11.圆柱头内六角螺钉，12.垫圈，13.第一端盖，14.橡胶密封垫圈，15.第二端盖，16.粉体，17、端盖销孔，18、端盖通孔，19、大台阶，20、小台阶。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器；粉体阻尼减振器结构完全沿轴中心线对称设计，隔板把内部分为多个大小形状一致空间，在每个封闭空间内填充占空比在85％-95％范围相同类型和质量的粉体，确保结构装填粉体前后在平衡试验机上把该扭转阻尼减振器质量分布不平衡惯性力和惯性力偶控制在精度要求范围。当轴类零件出现扭转振动和其它振动时，粉体由于其自身及其与隔板、壁板之间的碰撞、干摩擦和发热来吸收和消耗振动能量；同时减振器中粉体由于惯性的作用总会显现出与扭转振动轴的角加速度方向相反运动趋势，起到对轴扭转振动的阻碍作用，显著增加超高速精密机床的定位和加工精度。
粉体阻尼减振器安装在精密传动轴上，在粉体阻尼减振器减小振动的同时，不能给精密传动轴添加新的静不平衡和动不平衡质量。粉体阻尼减振器在设计之前必须要考虑自身的静平衡和动平衡，如公式所示：
静平衡∑Fi＝∑miω2ri＝0；
动平衡∑Fi＝0；∑Mi＝∑FiLi＝0；
其中：m偏心质量(质量分布不平衡导致产生的)，ω为轴的转动角速度，r为偏心质量m的回转半径，L为离心惯性力F的力臂，如果偏心质量分布在若干个不同的回转平面内，偏心质量所产生的离心惯性力F也会分布在不同的回转平面内，从而形成惯性力偶M，且M＝FL。故轴的平衡条件是：各偏心质量m产生的离心惯性力的矢量和为零，不同回转平面上的惯性力所构成的力矩矢量和也为零。由该公式可以确定，轴偏心质量越大、偏心质量的回转半径越大，转动角速度越大，产生的离心惯性力就越大，惯性力所构成的力矩也就越大，对于高速轴而言，就会出现严重的静、动不平衡问题，轴产生的扭转振动、倾角摆动振动等，使运动零部件产生定位误差、剧烈的振动和噪声。
因此，为了降低精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器自身的离心惯性力，角位移扭转粉体阻尼减振器应先把自身的偏心质量降低至最小，本粉体阻尼减振器结构既是中心对称也是轴对称分布。
在轴类零件的粉体阻尼扭转减振器结构中，当传动轴扭转振动时，粉体由于其自身及其与隔板、壁板之间的碰撞、干摩擦和发热来吸收和消耗振动能量；同时角位移扭转粉体阻尼减振器中的粉体由于惯性的作用总会显现出与轴扭转振动的角加速度方向相反的运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，起到对不平衡轴扭转振动的平衡作用，即对轴的角位移来回扭转振动的阻碍作用，让超高速精密传动轴的角位移扭转振动快速衰减下来，显著增加了超高速精密机床送进控制轴的定位精度、重复定位精度和机床加工精度；具体采用的结构如图1-9所示，图1为精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器的主视图，图2为图1的A-A剖视图，图3为减震器原理图(a为角加速度)，图4为第一端盖/第二端盖的主视图，图5为图4的B-B剖视图，图6为轴套的主视图，图7为图6的C-C剖视图，图8为外壳的主视图，图9为图8的D-D剖视图。图中零件:1为轴套，2为轴套螺纹盲孔，3为轴套销孔，4为外壳，5为外壳销孔，6为外壳螺纹盲孔，7为外壳定位凹槽，8为隔板，9为轴套定位凹槽，10为轴套花键孔，11为圆柱头内六角螺钉，12为垫圈，13为第一端盖，14、橡胶密封垫圈，15为第二端盖，16为粉体，17为端盖销孔，18为端盖通孔，19为大台阶，20为小台阶。
在实施过程中，先保证一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器自身的结构质量分布实现静平衡和动平衡，在设计过称中要求整体结构和零件关于中心对称和轴对称分布。
如图1和图2所示，精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，包括轴套1、外壳4、隔板8、第一端盖13、橡胶密封垫圈14、第二端盖15。
所述轴套1位于整个粉体阻尼减振器中心位置；所述外壳4位于整个粉体阻尼减振器外侧与轴套保持很高的同轴度设置；所述隔板均匀分布在轴套和外壳之间，本实施例中隔板8共12个，均匀分布在轴套1和外壳4形成的环形空间之间；多个隔板沿圆周方向将整个环形空间分成了大小相等的12个扇形空间；用圆柱头内六角螺钉11、垫圈12和圆锥销将第一端盖13与轴套1连接，用圆柱头内六角螺钉11、垫圈12和圆锥销将第一端盖13与外壳4固定在一起。在粉体阻尼减振器的另一侧，用圆柱头内六角螺钉11、垫圈12和圆锥销将第二端盖15与轴套1连接，用圆柱头内六角螺钉11、垫圈12和圆锥销将第二端盖15与外壳4固定在一起。本发明通过第一端盖13、轴套1、外壳4、隔板8、第二端盖15围成封闭的十二个大小相等扇形空间，每个封闭空间内填充相同类型和质量的粉体16，粉体16在每个体积空间的占空比在85％-95％范围。隔板8与第一端盖13和第二端盖15之间使用橡胶密封垫圈14进行密封，通过在轴套销孔3和外壳销孔5安装圆锥销将第一端盖13和第二端盖15与轴套和外壳定位安装在一起，保证轴套和外壳达到很高的同柱度要求。
如图3所示，精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器的原理，当轴类零件出现严重的静、动不平衡问题，轴产生的角位移扭转振动和其它方向的振动时，只要在该轴上安装本发明的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器后，由于粉体16在每个体积空间的占空比在85％-95％范围，使粉体具有一定的流动性，这样粉体其自身及其与隔板、壁板之间的碰撞、干摩擦和发热来吸收和消耗振动能量；同时角位移扭转粉体阻尼减振器中的粉体由于惯性的作用总会显现出与轴扭转振动的角加速度方向相反的运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，起到对不平衡轴扭转振动的平衡作用，即对轴的角位移来回扭转振动的阻碍作用，让超高速精密传动轴的角位移扭转振动快速衰减下来，能显著增加了超高速精密机床送进控制轴的定位精度、重复定位精度和加工精度。
粉体颗粒为密度较大的耐磨金属颗粒，所述粉体颗粒为尺寸均匀、粒度较小、高强度、高密度且耐磨性能好的材料，可以为钨粉、铅粉、铁粉金属颗粒，也可以是其它种类的抗氧化、不易生锈的合金材料，但是注意不能使用易与轴套、外壳、隔板和端盖本体发生电化学反应而产生腐蚀的粉体颗粒，本实施例使用的直径1～2mm的钨粉颗粒作为填充材料。
如图4～图5所示，第一端盖13与第二端盖15，其结构完全相同，分别设置于粉体阻尼减振器的两端；在端盖内侧设置两个大小不同的圆环形定位台阶，大台阶19位于端盖的外圈，小台阶20位于端盖的内圈；
大台阶19的大径和外壳4外径相同，大台阶19的小径和外壳4内径相同，在此台阶上均匀设置6个端盖通孔18和两个端盖销孔17；
小台阶20的大径与轴套1外径相同，小台阶20的小径略大于轴套花键孔10的大径，其上均匀设置6个端盖通孔18和两个端盖销孔17，小台阶20的通孔和大台阶19的通孔共线，小台阶销孔和大台阶销孔也共线，它们的连线交于角位移扭转粉体阻尼减振器的轴心。
如图6～图7所示，轴套1为空心柱体，既是轴对称也是中心对称，轴套1的内侧空心部分是花键孔10，和需要减小角位移扭转振动的轴通过花键精密配合连接，轴套1的外侧是带定位凹槽9的圆柱，本实施例轴套定位凹槽9一共12个，其宽度与隔板8厚度相同，其长度与隔板8长度相同，隔板两侧凹槽对称线过粉体阻尼减振器的轴心线；轴套1的两个端面分别设置6个轴套螺纹盲孔2，轴套上对称设置两个轴套销孔3。
如图8～图9所示，外壳4为空心圆柱形结构，既是轴对称也是中心对称，其外侧为光滑柱面；外壳4两个端面分别设置6个外壳螺纹盲孔6；外壳4的内侧设置12个外壳定位凹槽7，其宽度与隔板8厚度相同，其长度与隔板8长度相同；外壳上对称设置两个外壳销孔5。
在平衡试验机上分别对阻尼减振器作动、静平衡试验；通过增加配重或去除材料，使自身不平衡的质量达到设计要求。
精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器具体装配过程如下：
在装填粉体微颗粒之前，将所有零件按要求安装好，在平衡试验机上分别作动、静平衡试验，通过增加配重或去除材料，使其静不平衡和动不平衡的质量达到设计要求。然后标记好各零件的相对位置，再将第一端盖上的两组圆柱头内六角螺钉拆卸下来，另一侧端盖保持不动，试着将粉体装填在某个封闭空间内，填充的占空比在85％-95％范围，然后将粉体倒在电子秤上，记录粉体的质量，使每个分隔空间装填相同类型和质量的粉体，粉体全部装填完毕之后，严格对好标记，重新恢复平衡校正后的各个零件相对位置，通过定位销和螺钉形成固定连接。至此，粉体阻尼减振器组装完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不在赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，包括轴套、外壳、隔板、第一端盖、第二端盖和粉体；
所述轴套位于整个粉体阻尼减振器中心位置；所述外壳位于整个粉体阻尼减振器外侧与轴套同轴度设置；所述隔板均匀分布在轴套和外壳之间；
所述第一端盖与轴套、外壳的一端固定在一起；所述第二端盖与轴套和外壳的另一端固定在一起；
所述的轴套、外壳、第一端盖和第二端盖围成一个封闭的环形腔，所述的环形腔被多个隔板均匀的分成了多个大小相等封闭的扇形腔，在每个封闭扇形腔内填充相同类型和质量的粉体，粉体在每个空间体积的占空比在85％-95％范围；
整个粉体阻尼减振器为中心对称及轴对称结构。
2.如权利要求1所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述的轴套为空心柱体，轴套结构既是中心对称也是轴对称分布；轴套内壁上设有花键孔，轴套的外侧是带定位凹槽的圆柱面，定位凹槽均匀分布，定位凹槽宽度与隔板厚度相同，其长度与隔板长度相同。
3.如权利要求2所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述轴套的两个端面分别设置螺纹盲孔与销孔；其中，螺纹盲孔在轴套的圆周方向上均匀分布，销孔相对于轴套的轴线对称分布。
4.如权利要求1所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述外壳为空心圆柱结构，既是中心对称也是轴对称分布；外壳外侧为光滑圆柱面，内侧设有带定位凹槽的圆柱面；所述的定位凹槽在外壳内侧均匀设置多个，其宽度与隔板厚度相同，其长度与隔板长度相同。
5.如权利要求4所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述外壳两个端面分别设置螺纹盲孔与销孔；其中，螺纹盲孔在轴套的圆周方向上均匀分布，销孔相对于外壳的轴线对称分布。
6.如权利要求1所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述多个隔板形状、大小、质量完全相同，为矩形钢板；矩形隔板一侧嵌入轴套的定位凹槽内，另一侧嵌入外壳的定位凹槽内，两个定位凹槽的对称线过粉体阻尼减振器的中心线。
7.如权利要求1所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述的矩形隔板与第一端盖和第二端盖之间使用橡胶密封垫圈进行密封。
8.如权利要求1所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，所述第一端盖与第二端盖，结构完全相同，分别设置于粉体阻尼减振器的两端，端盖内侧设置两个大小不同的环形定位台阶，轴套和外壳与端盖内侧的定位台阶均为小间隙定心配合。
9.如权利要求8所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，端盖内圈的环形定位台阶和外圈的环形定位台阶上均匀设置多个通孔与销孔，内圈的环形定位台阶的通孔和外圈的环形定位台阶的通孔共线，两者连线交于角位移扭转阻尼减振器的轴心；内圈的环形定位台阶的销孔和外圈的环形定位台阶的销孔共线，两者连线也交于角位移扭转阻尼减振器的轴心。
10.如权利要求1所述的一种精密传动轴角位移扭转粉体阻尼减振器结构，其特征在于，阻尼减振器所用的定位销属于圆锥销，所设置的销孔也为圆锥销孔；定位销通过销孔，进行零件之间精确定位；所述粉体颗粒为耐磨金属粉体颗粒，该颗粒不易与轴套、外壳、隔板和端盖本体发生电化学反应而产生腐蚀。
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