CN111810567A - 一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器及刚度定量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器及刚度定量调节方法，减振器包括底座、橡胶垫圈、质量块、顶部端盖、螺母、螺杆、内部端盖、衬套、调节塞、橡胶套、导轨座。在系统发生振动时，质量块在橡胶垫圈的支撑下振动吸收一部分能量，橡胶套内部发生振动消耗掉一部分能量，从而实现主系统减振的目的。减振器的质量调节通过质量块的数量进行调节；通过旋入调节塞的深度控制衬套外径的变化，实现减振器阻尼的调节；通过旋紧顶端螺母来调节上下两个橡胶垫圈的压缩程度，根据橡胶垫圈压缩量与压缩刚度的关系实现减振器刚度的定量调节，无需实验而达到较好的减振效果。本发明结构简单紧凑，能够实现刚度、质量的定量调节，适用范围广。

Description

一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器及刚度定量调节 方法

技术领域

本发明涉及振动被动控制技术领域，具体地涉及一种可变阻尼，可调质量和刚度的减振器及刚度定量调节方法。

背景技术

随着现代工业和产业的快速发展，高加工速度，高加工精度以及高可靠性等成为机械加工领域的发展趋势。在这种背景下，机械加工过程中微小的振动都会影响加工质量和加工效率，甚至导致整个加工系统破坏。因此，许多学者和工程师都致力于减振技术的研究和改善，并设计出了许多不同形式的减振器。

目前，减振器主要有三种模式：被动控制、主动控制和半主动控制。基于被动控制的动力吸振器由于结构简单、成本低，不需要输入外部能量，由自身的构造特点和减振机理来实现振动抑制的目的，具有良好的减振效果，因此应用最为广泛。然而，目前大多数动力吸振器的质量、阻尼、刚度都是不可调节的，即一旦安装完成其频率响应范围、阻尼比等特性会固定不变，这样一旦激振频率或主系统的固有频率变化超出其工作频率范围，则吸振器的减振能力会急剧下降，甚至会带来负面效果。另外虽有一些学者设计出了参数可调的减振器，但在实际调整过程中都采用试错法，通过不断改变减振器的结构参数并结合模态试验，把减振效果调整至较好的状态，这样不但费时费力，而且在工况变化的情况下不能定量做出调节。因此，有必要设计一种既能调节自身固有参数又可以根据理论定量调节固有频率的减振器。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变阻尼，可调质量和刚度的减振器及一种刚度定量调节方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，包括：底座、橡胶垫圈、质量块、顶部端盖、外部螺母、螺杆、内部螺母、内部端盖、衬套、调节塞、橡胶套、导轨座。

所述底座是一个中心设有螺纹通孔的圆柱体，通过磁铁或胶结的方式与被控主系统相结合，形成一个整体；所述螺杆通过螺纹与底座相连接；所述导轨座穿过螺杆放置在底座上方。

进一步的，所述衬套由四个衬套脂瓣配合形成，所述衬套脂瓣通过燕尾型凹槽与导轨座相配合并置于其上方；所述衬套外部配合有橡胶套，衬套脂瓣在橡胶套变形产生的弹性恢复力的作用下形成一个完整的衬套，并且橡胶套外表面与质量块内孔相接触。

进一步的，所述调节塞通过中心的螺纹通孔与螺杆相连接，并旋进衬套的内部，外表面与衬套的内表面紧密接触形成配合；所述内部端盖穿过螺杆放置在衬套上部，并在内部螺母的旋紧下压紧衬套。

进一步的，所述底部橡胶垫圈、多个质量块、顶部橡胶垫圈、顶部端盖依次穿过橡胶套放置在底座上方，并在外部螺母的旋紧下紧密配合。

进一步的，一种基于可变阻尼，可调质量和刚度减振器的刚度定量调节方法，根据橡胶垫圈压缩程度与橡胶垫圈刚度的关系及振动系统固有频率的计算公式来实现。

本发明具有以下的有益效果：

1.本发明结构简单紧凑，能实现被控对象具体位置振动的精确控制，能够适用于多种场合。

2.本发明可以实现阻尼、刚度、质量的调节，以此来调节减振器的动态特性，使其处于较优减振状态，满足不同工况条件的要求。

3.本发明将动力吸振和阻尼耗能吸振结合起来，不但可以现实快速耗能而且增加了减振器工作的频带宽度。

4.本发明可以在不需要通过模态试验的情况下根据橡胶垫圈压缩量与橡胶垫圈刚度的关系定量调节减振器的刚度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明示例性实施方式的详细描述，本发明的上述以及其它的目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明的主视半剖视图；

图2为本发明的等轴视图；

图3为本发明中质量块的半剖视图；

图4为本发明中衬套脂瓣的三视图；

图5为本发明中导轨座的主视图和俯视图；

图6为本发明中调节塞的主视图和俯视图；

图7为本发明中橡胶垫圈压缩前后示意图

其中：1-底座，2-下层橡胶垫圈，3-质量块，4-上层橡胶垫圈，5-顶部端盖，6-外部螺母，7-螺杆，8-内部螺母，9-内部端盖，10-衬套，11-调节塞，12-橡胶套，13-导轨座。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种可变阻尼，可调质量和刚度的减振器，如图1-图6所示，其特征在于：所述减振器包括底座1、下层橡胶垫圈2、质量块3、上层橡胶垫圈4、顶部端盖5、外部螺母6、螺杆7、内部螺母8、内部端盖9、衬套10、调节塞11、橡胶套12、导轨座13。

所述减振器装配完成后通过磁铁或胶结的方式与被控主系统相结合，其中质量块3为减振主体，其余部分附加在主系统上。在系统发生振动时，质量块3在橡胶垫圈2、4的支撑下振动吸收一部分的能量，橡胶套12内摩擦消耗掉一部分能量，从而实现主系统减振的目的。

进一步的，底座1和质量块3的大小尺寸需要根据使用主系统的空间进行确定，质量块3材料应选择密度较大的钨合金或者钨铜合金，质量块3做成一系列厚度不同的多种规格，方便质量的精细调节。如图3所示，质量块3是一个中心设有通孔的圆柱体，并且一端圆表面中心沿通孔设有凸台结构，另一端圆表面中心是凹槽结构，凸台直径与凹槽直径相等，凸台高度略低于凹槽深，质量块之间通过凸台和凹槽的配合相互连接。

进一步的，如图5所示，所述导轨座13是一个中心设有通孔的圆柱体，并且一端表面设置有4个大小相等的燕尾型凸台。

进一步的，为了减小对主系统的影响，衬套10、调节塞11的质量应尽可能轻，应采用轻质金属材料，如铝合金。如图4所示，所述衬套脂瓣共有4个，是将一个中心设有锥度通孔的圆柱型衬套10平均分成4份而形成的，并且每个衬套脂瓣底部45度位置开有与导轨座13上燕尾型凸台尺寸相同的燕尾型凹槽。

进一步的，如图6所示，所述调节塞11是一个中心设有螺纹通孔的圆台体，其大圆直径与衬套通孔大端处的直径相等，圆台锥度与衬套通孔的锥度相等，高度根据具体情况低于衬套高度10mm左右，调节塞11大圆端面设有横凹槽，方便旋转调节。

进一步的，为了减小所述橡胶套12对减振器附加刚度的影响，橡胶套材料应选择剪切模量小的橡胶。所述橡胶套是一个空心圆柱体，其内径略小于衬套的外径，其外径略小于质量块通孔直径，其高度略小于除去燕尾型凹槽高度的衬套10的高度。

进一步的，所述橡胶垫圈2、4分别安装在底座1和最下层质量块之间以及最上层质量块和顶部端盖5之间。橡胶垫圈为空心圆柱体，其外径应小于质量块3外径，内径应大于质量块3的凹槽直径。橡胶垫圈的材料根据实际应用可选择丁腈橡胶、硅橡胶等。

进一步的，所述减振器的质量调节通过质量块3的数量进行调节，所述螺杆7的长度根据质量块的数量进行确定。

进一步的，通过旋入所述调节塞11的深度控制衬套10外径的变化，进而控制橡胶套12的压缩程度，实现减振器阻尼的调节。

进一步的，橡胶的刚度具有明显的非线性，通过旋紧顶端螺母6来调节橡胶垫圈2、4的压缩程度，进而实现减振器刚度的调节。

进一步的，为了达到定量调节刚度的目的，需要知道橡胶垫圈压缩量x与橡胶垫圈刚度k的关系，根据橡胶体非压缩性的弹性理论及具体橡胶垫的形状大大小可以建立。如图7所示为橡胶垫圈压缩变形示意图，通过推导得到橡胶垫圈刚度与压缩量的关系为：

其中：A＝πr₁ ²-πr₂ ²、

E_b为橡胶材料的体积弹性模量；G为橡胶的剪切模量。

进一步的，为了方便工程实践中定量调节刚度参数，还需知道橡胶垫圈压缩量x与拧紧顶部螺母6力矩T的关系。根据拧紧力矩T与螺栓预紧力F₀的关系得：

其中：K为拧紧力矩系数，通过查阅《机械设计手册》可知，d为螺杆公称直径。因为橡胶垫圈2、4的抗压强度远低于螺杆7的抗拉强度，所以在螺栓预紧力F₀的作用下，橡胶垫圈发生压缩而非螺杆发生拉伸。根据胡克定律得：

因此橡胶垫圈压缩量x与拧紧顶部螺母6力矩T的关系为：

进一步的，为了将阻尼参数调整到较优的状态，需要知道橡胶套10剪切阻尼参数与橡胶套压缩程度的关系。目前，还不能导出计算橡胶阻尼参数的公式，需要用试验的方法确定橡胶套的阻尼参数。要得到橡胶套的剪切阻尼参数首先应测得橡胶套的剪切损耗因子，工程中测量橡胶损耗因子的方法有很多，基本原理都是在被测材料制成的标准试件上施加周期变化的载荷，同时，测量试件周期变化的应力和应变，并绘制材料的应力-应变图。其中应变滞后于应力的相位角的正切值即为材料的损耗因子，因此根据应力-应变曲线可以计算出橡胶套的剪切损耗因子η_τ。

进一步的，通过测量不同压缩量下橡胶套的剪切损耗因子η_τ可以得到一系列数值，通过选择合适的曲线拟合即能得到橡胶套剪切损耗因子η_τ与橡胶套压缩量Δr的关系。

进一步的，材料的损耗因子η_τ为材料阻尼比ξ的二倍，即：

根据损耗因子及阻尼比的计算公式

可以计算出橡胶套的阻尼大小，进而得到橡胶套阻尼c大小与橡胶套压缩量Δr的关系。

进一步的，由于橡胶材料的剪切损耗因子比其伸缩损耗因子要大，故忽略橡胶垫圈2、4带来的阻尼，只考虑橡胶套10的阻尼参数。

进一步的，为了方便工程实践中调节阻尼参数，需要知道调节塞11旋转角度Δθ与橡胶套压缩量Δr的关系，规定调节塞11与衬套10上端面平齐时为初始状态，并做好标记。根据调节塞11的形状及三角函数易推出橡胶套压缩量Δr与调节塞轴向移动距离Δh的关系：Δr＝Δhtanα。根据螺纹螺距P与旋转角度Δθ的关系，可以推导出调节塞11旋转角度与轴向移动距离的关系

最终，得到调节塞11旋转角度Δθ与橡胶套压缩量Δr的关系为：

进一步的，一种基于可变阻尼，可调质量和刚度减振器的刚度定量调节方法，按以下步骤具体进行：

步骤一，根据要减振系统的安装空间确定所需质量块3的大小及数量，确定螺杆7的长度；

步骤二，完成除旋紧螺母6、8及内部端盖9外的减振器的装配。

步骤三，根据固有频率的计算公式

及质量块3的重量，确定减振器的刚度；

步骤四，根据橡胶垫圈压缩量x与橡胶垫圈刚度k(x)的关系

及橡胶垫圈压缩程度x与拧紧顶部螺母6力矩T的关系确定顶部螺母6的拧紧力矩T，并通过定力矩扳手来实现；

步骤五，根据动力吸振器的最优阻尼比

确定阻尼系数，并通过调节调节塞11的旋转角度Δθ将阻尼调整至合适大小，然后盖上内部端盖9旋紧内部螺母8，保证衬套10的直径不再变化，其中μ为阻尼器质量与主系统质量的比值，即

步骤六，将调节完成后的减振器通过磁铁或胶结的方式与被控主系统相结合，形成一个整体。

最后应说明的是：对该设计方法进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种可变阻尼，可调质量和刚度的减振器，其特征在于：所述减振器包括底座、橡胶垫圈、质量块、顶部端盖、螺母、螺杆、内部端盖、衬套脂瓣、调节塞、橡胶套和导轨座；

所述螺杆通过螺纹与底座相连接；所述导轨座穿过螺杆放置在底座上方；所述衬套与导轨座相配合并置于其上方；所述衬套外部配合有橡胶套；所述调节塞通过中心的螺纹通孔与螺杆相连接，外表面与衬套的内表面紧密接触形成配合；所述内部端盖穿过螺杆放置在衬套脂瓣上部，并在内部螺母的旋紧下压紧衬套；所述底部橡胶垫圈、多个质量块、顶部橡胶垫圈、顶部端盖依次穿过橡胶套放置在底座上方，并在顶端螺母的旋紧下配合。

2.根据权利要求1所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：所述导轨座是一个中心设有通孔的圆柱体，并且一端表面设置有4个大小相等的燕尾型凸台。

3.根据权利要求1所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：所述衬套脂瓣是将一个中心设有锥度通孔的圆柱形衬套平均分成4部分，并且每个衬套脂瓣底部45度位置开有与导轨座上燕尾型凸台尺寸相同的燕尾型凹槽。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：所述衬套脂瓣和所述导轨座通过燕尾型凹槽和凸台的配合相连接，并在所述橡胶套的弹性恢复力下形成一个完整的衬套。

5.根据权利要求1所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：所述调节塞是一个中心设有螺纹通孔的圆台体，大圆直径与衬套通孔大端处的直径相等，圆台锥度与衬套通孔的锥度相等，调节塞大圆端面设有横凹槽，方便旋转调节。

6.根据权利要求1、4或5所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：所述调节塞通过中心螺纹孔的螺纹与螺杆相连接，并旋进衬套的内部，外表面与衬套的内孔相接触。

7.根据权利要求1所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：通过旋紧顶端螺母来调节上下两个橡胶垫圈的压缩程度，实现减振器刚度的调节。

8.根据权利要求1或6所述的一种可变阻尼、可调质量和刚度的减振器，其特征在于：通过旋入所述调节塞的深度控制衬套外径的变化，控制橡胶套的压缩状态，实现减振器阻尼的调节。

9.一种基于可变阻尼、可调质量和刚度减振器的刚度定量调节方法，包括以下步骤：

步骤一，根据要减振系统的安装空间确定所需质量块的大小及数量，确定螺杆7的长度；

步骤二，完成除旋紧螺母及内部端盖外的减振器的装配；

步骤三，根据固有频率的计算公式

及质量块的重量，确定减振器的刚度；

步骤四，根据橡胶垫圈压缩量x与橡胶垫圈刚度k(x)的关系

及橡胶垫圈压缩程度x与拧紧顶部螺母力矩T的关系

确定顶部螺母的拧紧力矩T，并通过定力矩扳手来实现；

步骤五，根据动力吸振器的最优阻尼比

确定阻尼系数，并通过调节调节塞的旋转角度Δθ将阻尼调整至合适大小，然后盖上内部端盖旋紧内部螺母，保证衬套的直径不再变化，其中μ为阻尼器质量与主系统质量的比值，即

步骤六，将调节完成后的减振器通过磁铁或胶结的方式与被控主系统相结合，形成一个整体。

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