CN111594568B - 一种多自由度隔振器及隔振系统 - Google Patents

一种多自由度隔振器及隔振系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多自由度隔振器及隔振系统，所述多自由度隔振器包括密封盖、第一轴向金属橡胶、第一径向金属橡胶、第二轴向金属橡胶、第二径向金属橡胶、外壳、底座、缓冲垫和芯轴；所述多自由度隔振系统包括2只以上多自由度隔振器、转接支架、多角度安装支架和附加角度调整块；所述轴向和径向金属橡胶刚度根据系统各自由度隔振频率要求进行设计。本发明通过轴向和径向金属橡胶刚度不同实现各自由度固有频率不同，为进一步优化设计隔振系统六自由度固有频率提供了技术基础；通过多角度安装支架使隔振单元及系统满足不同安装角度可调整的需求，不同应用环境的适应性更强；所述多自由度隔振器结构简单，质量轻，便于加工制造。

Description

一种多自由度隔振器及隔振系统
技术领域
本发明属于机械振动隔离领域，具体涉及一种多自由度隔振器及隔振系统。
背景技术
近年来，随着航天技术的发展，航天器平台要求更高的指向精度和姿态稳定度，而微振动是影响航天器上精密载荷指向精度和稳定度的一个重要干扰因素。微振动的幅值较小、频率较高、振动频带宽，能够激起航天器多阶模态振动。由于空间中无空气阻力，且航天器结构具有刚度低、阻尼弱等特点，航天器结构的振动很难自行衰减，一定程度上延长了微振动的作用时间。
振动隔离是解决上述问题的主要手段，隔振系统需要在有效传递控制力拒、保证航天器姿态控制性能的同时，对高频振动进行有效隔离。作为振源与航天器结构之间的连接部件，隔振器及系统需要在发射段提供大刚度和阻尼、保证连接可靠性，保护所连接设备不发生破坏，并且在在轨段实现多自由度高频抖动的隔离并提供阻尼，抑制固有频率处的峰值放大。此外，隔振系统质量和体积在航天器结构中的占比应尽量小，现有隔振器和隔振装置难以同时满足上述要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种多自由度隔振器及隔振系统，用于航天器平台的振动隔离，以适应发射段和在轨段多自由度隔振的要求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种多自由度隔振器，所述多自由度隔振器包括密封盖、第一轴向金属橡胶、第一径向金属橡胶、第二轴向金属橡胶、第二径向金属橡胶、外壳、底座、缓冲垫和芯轴，其中：
所述芯轴为圆柱形台阶轴结构，最大直径位置与外壳内径有径向间隙；所述密封盖内圈与芯轴顶部台阶面固定，密封盖的外圈与外壳固定；所述第一轴向金属橡胶和第二轴向金属橡胶分别填充于所述多自由度隔振器上部和下部，为并联形式，与外壳内径无径向间隙；所述第一径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器上部，其上端面与外壳有轴向间隙，第二径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器下部，其上端面与芯轴最大直径面有轴向间隙；所述外壳为圆柱壳形结构，顶部圆孔与芯轴具有径向间隙；所述底座分为螺纹连接段和安装法兰部分，底座的螺纹连接段中心有一凹槽，凹槽直径大于芯轴下段外径，安装法兰具有圆周均布的安装通孔；所述缓冲垫填充于底座的凹槽内，缓冲垫顶端与芯轴底端有间隙。
进一步的，所述芯轴顶端中心具有螺纹孔，用于连接隔振对象，直径最大的台阶面将所述多自由度隔振器内部划分为上下两部分。
进一步的，所述第一轴向金属橡胶两端分别与外壳和芯轴上最大直径面接触，第二轴向金属橡胶两端分别与芯轴下最大直径面和底座接触。
进一步的，所述第一径向金属橡胶外圆柱面与第一轴向金属橡胶的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴上段轴面接触，其下端面与芯轴最大直径面接触。
进一步的，所述第二径向金属橡胶外圆柱面与第二轴向金属橡胶的内圆柱面接触，第二轴向金属橡胶内圆柱面与芯轴下段轴面接触，第二轴向金属橡胶下端面与底座接触。
进一步的，所述各个轴向金属橡胶和径向金属橡胶与刚度相关的参数，即材料、尺寸、缠绕方式和密度，根据各自由度隔振频率要求进行设计。
进一步的，所述外壳外壁有通气孔，用于在不同工作环境中保证所述多自由度隔振器内部气压平衡；外壳底端为细牙内螺纹，用于防松紧固。
根据本发明的另一方面，还提出一种多自由度隔振系统，包括：
所述多自由度隔振系统包括若干多自由度隔振单元，所述多自由度隔振单元包括多自由度隔振器、转接支架、多角度安装支架和附加角度调整块；
所述转接支架为弧形或矩形结构，包括两类机械接口，一类用于与隔振对象进行机械连接，一类用于与所述多自由度隔振器进行机械连接；
所述附加角度调整块为多边形结构，用于根据所述多自由度隔振器在系统中的构型调整多自由度隔振器相对多角度安装支架的倾角；
所述多角度安装支架为楔形分体式或一体式结构，具有两类机械接口，一类用于与所述多自由度隔振器或附加角度调整块进行机械连接，一类用于与航天器平台进行机械连接；
所述多角度安装支架具有三角形减轻孔。
进一步的，所述附加角度调整块在同一多自由度隔振单元及系统中有多种结构，根据隔振系统构型要求和不同位置的多自由度隔振器进行设计。
进一步的，所述多自由度隔振器在隔振系统中的数目根据系统要求进行调整。
进一步的，所述多自由度隔振系统由多个多自由度隔振单元组成，形成一体式或分布式隔振系统进行隔振。
进一步的，所述多角度安装支架和附加角度调整块根据具体隔振需求选择性使用。
本发明的优点在于：
(1)本发明可通过设计轴向和径向金属橡胶刚度不同实现隔振器不同自由度的刚度不同。
(2)本发明所提出的隔振器可实现六自由度隔振。
(3)本发明所提出的隔振器具有缓冲设计，在大振动和冲击情况时提供大刚度和阻尼，保护隔振对象。
(4)本发明所提出的隔振系统可提供不同安装倾角。
(5)本发明所提出的隔振器结构简单，质量轻，便于加工制造。
附图说明
图1是本发明的多自由度隔振器剖视图；
图2是本发明的多自由度隔振单元示意图；
图3是本发明的多自由度隔振系统示意图。
图中：
1—密封盖 2—第一轴向金属橡胶 3—第一径向金属橡胶
4—第二轴向金属橡胶 5—第二径向金属橡胶 6—外壳
7—底座 8—缓冲垫 9—芯轴
10—转接支架 11—多角度安装支架 12—多自由度隔振器
13—附加角度调整块
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示为本发明所述多自由度隔振器剖视图。
所述多自由度隔振器包括密封盖1、第一轴向金属橡胶2、第一径向金属橡胶3、第二轴向金属橡胶4、第二径向金属橡胶5、外壳6、底座7、缓冲垫8、芯轴9。所述芯轴9结构为圆柱形台阶轴，顶端中心具有螺纹孔，用于连接隔振对象。芯轴9直径最大的台阶面将所述多自由度隔振器内部划分为上下两部分，最大直径位置与外壳6内径有径向间隙。所述密封盖1内圈与芯轴9顶部台阶面固定，外圈与外壳6固定。所述第一轴向金属橡胶2和第二轴向金属橡胶4为圆环柱形，分别填充于所述多自由度隔振器上部和下部，为并联形式，与外壳6内径无径向间隙。第一轴向金属橡胶2两端分别与外壳6和芯轴9最大直径面接触，第二轴向金属橡胶4两端分别与芯轴9上最大直径面和底座7接触。所述第一径向金属橡胶3和第二径向金属橡胶5为矮圆环柱形，所述矮圆环柱分别在轴向上的高度低于第一轴向金属橡胶2和第二轴向金属橡胶4，第一径向金属橡胶3位于所述多自由度隔振器上部，其外圆柱面与第一轴向金属橡胶2的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴9上段轴面接触，其上端面与外壳6有轴向间隙，其下端面与芯轴9最大直径面接触；第二径向金属橡胶5位于所述多自由度隔振器下部，其外圆柱面与第二轴向金属橡胶4的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴9下段轴面接触，其上端面与芯轴9下最大直径面有轴向间隙，其下端面与底座7接触。所述轴向和径向金属橡胶与刚度相关的参数，即材料、尺寸、缠绕方式和密度，根据各自由度隔振频率要求进行设计。所述外壳6为圆柱壳形结构，顶部有圆孔，圆孔与芯轴9具有径向间隙，芯轴9顶部高出于外壳6，外壳6外壁有通气孔，用于在不同工作环境中保证所述多自由度隔振器内部气压平衡，外壳6底端为细牙内螺纹，用于防松紧固。所述底座7分为螺纹连接段和安装法兰部分，底座7的螺纹连接段中心有一凹槽，凹槽直径大于芯轴9下段外径，安装法兰具有圆周均布的安装通孔，用于安装固定所述多自由度隔振器于航天器平台。所述缓冲垫8填充于底座7的凹槽内，缓冲垫8顶端与芯轴9底端有间隙，用于在大振动量级或大冲击情况下进行缓冲减振，保护所述多自由度隔振器结构和隔振对象。
如图2所示，所述多自由度隔振单元包括多自由度隔振器12、转接支架10、多角度安装支架11和附加角度调整块13。所述转接支架10为弧形或矩形结构，转接支架10具有两类机械接口，一类用于与隔振对象进行机械连接，一类用于与所述多自由度隔振器12进行机械连接，具体机械接口形式根据隔振对象机械接口位置和多自由度隔振器布局进行设计。所述多角度安装支架11为楔形结构，具有三角形减轻孔；多角度安装支架11具有两类机械接口，一类用于与所述多自由度隔振器12进行机械连接，一类用于与航天器平台进行机械连接，具体机械接口形式根据航天器平台机械接口和多自由度隔振器布局进行设计。所述附加角度调整块13为多边形结构，用于根据所述多自由度隔振器12在系统中的构型调整多自由度隔振器12相对多角度安装支架11的倾角。图2所示为一种多自由度隔振单元组成形式，多角度安装支架11和附加角度调整块13可根据具体隔振需求选择性使用。在实际应用中，可由多个多自由度隔振单元构成分布式隔振系统进行隔振。
如图3所示为一种所述多自由度隔振系统示意图。在该应用情况下，所述多角度安装支架11用于调整隔振系统整体相对航天器平台的安装角度，以适应不同安装角度可调整的需求。系统中所述附加角度调整块13不完全相同，根据隔振系统构型要求和不同位置的多自由度隔振器进行设计。图3所示为两种多自由度隔振系统组成形式，多角度安装支架11分别为一体式和分体式，多角度安装支架11和附加角度调整块13可根据具体隔振需求和安装角度需求选择性使用。在实际应用中，隔振系统中所述多自由度隔振器的数目根据系统要求进行调整，转接支架根据隔振对象机械接口位置可设计为分体式或一体式。
本发明所述多自由度隔振器的工作过程为：与振源固联的芯轴9因为振源振动而进行运动：当振源产生垂直方向的振动时，芯轴9沿其轴向运动，其最大直径面对第一轴向金属橡胶2和第二轴向金属橡胶4进行挤压，第一轴向金属橡胶2和第二轴向金属橡胶4发生变形对振动向航天器平台的传递进行衰减；当振源产生水平方向的振动时，芯轴9沿其径向运动，其台阶轴面对第一轴向金属橡胶2、第一径向金属橡胶3、第二轴向金属橡胶4和第二径向金属橡胶5进行挤压，所述金属橡胶发生变形对振动向航天器平台的传递进行衰减；当振源产生倾转方向的振动时，第一轴向金属橡胶2和第二轴向金属橡胶4同时受到挤压，对振动向航天器平台的传递进行衰减；在发射段大振动量级的情况下，第一轴向金属橡胶2、第二轴向金属橡胶4、第一径向金属橡胶3、第二径向金属橡胶5和缓冲垫8共同作用，提供大刚度和阻尼对振动进行衰减；
本发明所述多自由度隔振单元的工作过程为：根据隔振系统设计和构型，设计选用多角度安装支架11和附加角度调整块13，并将多个多自由度隔振单元布置于隔振对象周围。当振源产生振动时，振动通过转接支架10传递给芯轴9，所述多自由度隔振器内部金属橡胶对振动进行衰减。
本发明所述多自由度隔振系统的工作过程为：根据隔振系统设计和构型，明确所述多自由度隔振器个数及空间位置，设计选用多角度安装支架11、附加角度调整块13和转接支架10。当振源产生振动时，振动通过转接支架10传递给芯轴9，所述多自由度隔振器内部金属橡胶对振动进行衰减。
以上实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，例如所述多自由度隔振器在隔振系统中的个数和空间位置变化、隔振器外形变化、多角度安装支架和附加角度调整块的角度和减轻孔形式、机械接口变化等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多自由度隔振器，其特征在于：所述多自由度隔振器包括密封盖、第一轴向金属橡胶、第一径向金属橡胶、第二轴向金属橡胶、第二径向金属橡胶、外壳、底座、缓冲垫和芯轴，其中：
所述芯轴为圆柱形台阶轴结构，最大直径位置与外壳内径有径向间隙；所述密封盖内圈与芯轴顶部台阶面固定，密封盖的外圈与外壳固定；所述第一轴向金属橡胶和第二轴向金属橡胶分别填充于所述多自由度隔振器上部和下部，为并联形式，与外壳内径无径向间隙；所述第一径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器上部，其上端面与外壳有轴向间隙，第二径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器下部，其上端面与芯轴最大直径面有轴向间隙；
所述第一径向金属橡胶和第二径向金属橡胶为矮圆环柱形，所述第一径向金属橡胶和第二径向金属橡胶在轴向上的高度分别低于第一轴向金属橡胶和第二轴向金属橡胶，第一径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器上部，其外圆柱面与第一轴向金属橡胶的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴上段轴面接触，其上端面与外壳有轴向间隙，其下端面与芯轴最大直径面接触；第二径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器下部，其外圆柱面与第二轴向金属橡胶的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴下段轴面接触，其上端面与芯轴下最大直径面有轴向间隙，其下端面与底座接触；所述外壳外壁有通气孔，用于在不同工作环境中保证所述多自由度隔振器内部气压平衡；
所述外壳为圆柱壳形结构，顶部圆孔与芯轴具有径向间隙；所述底座分为螺纹连接段和安装法兰部分，底座的螺纹连接段中心有一凹槽，凹槽直径大于芯轴下段外径，安装法兰部分具有圆周均布的安装通孔；所述缓冲垫填充于底座的凹槽内，缓冲垫顶端与芯轴底端有间隙。
2.根据权利要求1所述的多自由度隔振器，其特征在于：所述芯轴顶端中心具有螺纹孔，用于连接隔振对象，直径最大的台阶面将所述多自由度隔振器内部划分为上下两部分。
3.根据权利要求1所述的多自由度隔振器，其特征在于：所述第一轴向金属橡胶两端分别与外壳和芯轴上最大直径面接触，第二轴向金属橡胶两端分别与芯轴下最大直径面和底座接触。
4.根据权利要求1所述的多自由度隔振器，其特征在于：所述第一轴向金属橡胶、第二轴向金属橡胶、第一径向金属橡胶、第二径向金属橡胶与刚度相关的参数，即材料、尺寸、缠绕方式和密度，根据各自由度隔振频率要求进行设计。
5.根据权利要求1所述的多自由度隔振器，其特征在于：外壳底端为细牙内螺纹，用于防松紧固。
6.一种多自由度隔振系统，其特征在于，包括：
所述多自由度隔振系统包括若干多自由度隔振单元，所述多自由度隔振单元包括多自由度隔振器、转接支架、多角度安装支架和附加角度调整块；所述多自由度隔振器包括密封盖、第一轴向金属橡胶、第一径向金属橡胶、第二轴向金属橡胶、第二径向金属橡胶、外壳、底座、缓冲垫和芯轴；
所述第一径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器上部，其上端面与外壳有轴向间隙，第二径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器下部，其上端面与芯轴最大直径面有轴向间隙；
所述第一径向金属橡胶和第二径向金属橡胶为矮圆环柱形，所述第一径向金属橡胶和第二径向金属橡胶在轴向上的高度分别低于第一轴向金属橡胶和第二轴向金属橡胶，第一径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器上部，其外圆柱面与第一轴向金属橡胶的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴上段轴面接触，其上端面与外壳有轴向间隙，其下端面与芯轴最大直径面接触；第二径向金属橡胶位于所述多自由度隔振器下部，其外圆柱面与第二轴向金属橡胶的内圆柱面接触，其内圆柱面与芯轴下段轴面接触，其上端面与芯轴下最大直径面有轴向间隙，其下端面与底座接触；
所述外壳外壁有通气孔，用于在不同工作环境中保证所述多自由度隔振器内部气压平衡；
所述转接支架为弧形或矩形结构，包括两类机械接口，一类用于与隔振对象进行机械连接，一类用于与所述多自由度隔振器进行机械连接；
所述附加角度调整块为多边形结构，用于根据所述多自由度隔振器在系统中的构型调整多自由度隔振器相对多角度安装支架的倾角；
所述多角度安装支架为楔形分体式或一体式结构，具有两类机械接口，一类用于与所述多自由度隔振器或附加角度调整块进行机械连接，一类用于与航天器平台进行机械连接；
所述多角度安装支架具有三角形减轻孔。
7.根据权利要求6所述的多自由度隔振系统，其特征在于：所述多自由度隔振器在隔振系统中的数目根据系统要求进行调整。
8.根据权利要求6所述的多自由度隔振系统，其特征在于：所述多自由度隔振系统由多个多自由度隔振单元组成，形成一体式或分布式隔振系统进行隔振。
9.根据权利要求6所述的多自由度隔振系统，其特征在于：所述多角度安装支架和附加角度调整块根据具体隔振需求选择性使用。
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