CN112483586A - 一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器及控制方法，可调谐动力吸振器包括与主系统相连的智能弹簧。其中，智能弹簧包括主支撑弹簧、副支撑弹簧、压电陶瓷作动器及一对可控摩擦盘。本发明在传统的可调谐动力吸振器的基础上，使用智能弹簧代替磁流变弹性体，设计了一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器。该动力吸振器可以通过外加电压，控制其自身的刚度及阻尼变化，从而使其固有频率能适应外界激励频率的变化，达到更好地减振效果。

Description

一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器及控制方法

技术领域

本发明涉及振动控制领域的减振装置，具体是一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器。

背景技术

动力吸振器是一种包含有质量、弹簧、阻尼等元件的自由振动系统。它通过弹性元件与阻尼元件把吸能质量块与主振系统相关联，对主系统的振动进行抑制，是一种常用的减振装置。

动力吸振器的减振机理如下：主系统在外部激励作用下产生的振动传递到动力吸振器上，使动力吸振器与主系统之间发生相对运动。外部激励的振动能量由此发生分配转移，由主系统转移到动力吸振器上。因此，主系统的振动得到抑制。相比于其他的减振装置，动力吸振器结构原理简单，制造方便，具有较好的减振效果，在很多机械设备中得到了广泛的使用。但传统的动力吸振器只能在预期频率下工作，当外界激励频率发生变化时则无法起到减振的作用。可调谐动力吸振器可以改变自身的结构参数如等效刚度等，使其固有频率发生变化，以适应不同频率的外界激励力，达到更好的减振效果。

传统的可调谐动力吸振器使用磁流变弹性体、形状记忆合金等材料构建其支撑系统。这些材料在磁场或温度的变化下，其力学参数会发生变化。利用这一特性，当改变外界磁场的强度大小或温度高低，动力吸振器的刚度就会发生变化，引起固有频率的变化。因此，动力吸振器的固有频率能通过改变外界控制条件进行调节，以实现对外界激励频率的追踪，达到最优的减振效果。但是这种动力吸振器的调节方式较为复杂，刚度调节的范围也较小且非线性较强。因此，传统的可调谐动力吸振器的减振效果并不理想。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器。该动力吸振器可以对振动系统进行减振，并可进行调谐。

本发明同时提供该可调谐动力吸振器的控制方法。

为达到这一目的，本发明可调谐动力吸振器采用如下技术方案：

一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器，包括主系统、智能弹簧系统、吸能质量块，智能弹簧系统包括承载吸能质量块的支撑座、主支撑弹簧、副支撑弹簧、安装在支撑座下表面的两个外摩擦盘、位于两个外摩擦盘之间的压电陶瓷作动器，所述压电陶瓷作动器的两端分别安装两个内摩擦盘；主支撑弹簧的下端与主系统固定，主支撑弹簧的上端与支撑座下表面固定；副支撑弹簧的下端与主系统固定；副支撑弹簧的上端与压电陶瓷作动器固定；压电陶瓷作动器的两端的两个内摩擦盘分别面对两个外摩擦盘；

所述压电陶瓷作动器具有第一状态及第二状态，当压电陶瓷作动器处于第一状态时，内摩擦盘与外摩擦盘不接触；当压电陶瓷作动器伸长后达到第二状态，处于第二状态时，内摩擦盘与外摩擦盘接触并产生滑动摩擦力。

进一步的，还包括第三状态，当压电陶瓷作动器自第二状态继续伸长后达到第三状态，处于第三状态时，内摩擦盘与外摩擦盘接触并相对固定，内摩擦盘与外摩擦盘产生静摩擦力。

进一步的，主支撑弹簧与副支撑弹簧平行布置而构成两条载荷传递路径。

进一步的，所述主系统为动力吸振器减振对象；外界激励经主系统传递到智能弹簧系统上。

上述可调谐动力吸振器的控制方法可采用以下技术方案：

当外界作用于主系统的激励频率不断变化时，驱动压电陶瓷作动器动作产生法向位移，使内、外摩擦盘之间产生法向力；调节驱动电压，改变内、外摩擦盘之间的法向力，滑动摩擦的大小随之改变，进而改变副支撑弹簧的作用大小，使智能弹簧的等效刚度变化，以对整个系统固有频率的调节；在调节的过程中，滑动摩擦的存在给系统引入阻尼；并且随着滑动摩擦的改变，阻尼也会发生变化；

当外界作用于主系统的激励保持不变且频率较高时，驱动压电陶瓷作动器产生法向位移直至使内、外摩擦盘之间保持相对静止；智能弹簧的等效刚度达到最大值，主支撑弹簧与副支撑弹簧刚度之和；在调节的过程中，两个摩擦盘之间相对静止，此时智能弹簧的阻尼为零。

与现有的技术相比，本发明具有如下优势：

本发明使用智能弹簧代替磁流变弹性体，设计了一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器。智能弹簧可以通过外加电压控制内部的压电执行器，改变其自身的结构参数如刚度和阻尼，且结构简单，易于实现。因此，该动力吸振器不仅可以通过外加电压，控制其自身的刚度及阻尼变化，使其固有频率能适应外界激励频率的变化，而且其调节方式较为简单，调节范围较广，具有更好地减振效果。

附图说明

图1为本发明基于智能弹簧的可调谐动力吸振器的原理图。

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。

图1所示，为基于智能弹簧的可调谐动力吸振器工作原理图。主系统1为动力吸振器减振对象。其中，K为主系统刚度，C为主系统阻尼，M为主系统质量，是主系统振动的基本参数。动力吸振器包括智能弹簧系统2、吸能质量块3。智能弹簧2是动力吸振器的变刚度支承系统，其一端连接于在主系统1上，另一端与吸能质量块3连接。

所述智能弹簧包括主支撑弹簧201、副支撑弹簧202、承载吸能质量块的支撑座204、安装在支撑座204下表面的两个外摩擦盘205、位于两个外摩擦盘205之间的压电陶瓷作动器203。所述压电陶瓷作动器203的两端分别安装两个内摩擦盘206。主支撑弹簧201的下端与主系统固定。主支撑弹簧201的上端与支撑座204下表面固定。副支撑弹簧202的下端与主系统固定。副支撑弹簧202的上端与压电陶瓷作动器203固定。压电陶瓷作动器203两端的两个内摩擦盘206分别面对两个外摩擦盘205。一个外摩擦盘205与一个内摩擦盘206形成可控摩擦盘对。

所述主支撑弹簧201与副支撑弹簧202并排连接，构成两条载荷传递路径。

所述外摩擦盘205与内摩擦盘206之间具有一定的初始间隙，保证两者之间可以相对滑动。

将动力吸振器底部的智能弹簧2安装在主系统1上。当有外界激励作用时，外界激励由主系统1传递到智能弹簧2上，经智能弹簧的两条载荷传递路径最终传递到吸能质量块3上。吸能质量块3产生的动力作用将作用在主系统1的外界激励力抵消掉，从而抑制主系统1的振动响应。动力吸振器通过改变作用于压电陶瓷作动器203上的驱动电压，对智能弹簧2的刚度和阻尼进行调节，从而实现对其自身刚度和阻尼的调节。

其调节过程如下：当未加驱动电压时，副支撑弹簧202不产生任何作用。吸能质量块3完全由主支撑弹簧201支承。智能弹簧的刚度为主支撑弹簧201的刚度k₁，阻尼为零。当施加驱动电压时，压电陶瓷作动器203在电压的作用下在水平方向上产生位移。随着电压的增大，位移逐渐增大。当位移大于可控摩擦盘对之间的初始间隙时，可控摩擦盘对之间产生法向作动力N(t)。随着系统的运动，可控摩擦盘对之间发生相对滑动，产生动摩擦F_d。动摩擦的存在，给系统引入一定的阻尼，也使副支撑弹簧202发挥作用。此时，智能弹簧2的刚度由主支撑弹簧201及副支撑弹簧202共同决定。调节驱动电压到不同值，压电陶瓷作动器203产生的位移就会发生相应的变化，使可控摩擦盘对之间的动摩擦大小相应改变。由于动摩擦的变化，阻尼和副支撑弹簧202作用的大小都会产生相应的变化，最终导致智能弹簧2的阻尼和刚度的变化。当动摩擦力足够大，主支撑弹簧201和副支撑弹簧202完全耦合，二者刚性联结成一单自由度系统。此时，智能弹簧的总刚度为k₁与k₂之和，阻尼为零。以上即为基于智能弹簧的可调谐动力吸振器的调节过程。

可调谐动力吸振器的固有频率是由智能弹簧的等效刚度决定的。

当外界作用于主系统的激励频率不断变化时，驱动压电陶瓷作动器203动作产生法向位移，使内、外摩擦盘之间产生法向力。随着系统的运动，内、外摩擦盘之间产生滑动摩擦，使副支撑弹簧202发挥作用，与主支撑弹簧201一起传递载荷。调节驱动电压，改变内、外摩擦盘之间的法向力，滑动摩擦的大小随之改变，进而改变副支撑弹簧202的作用大小，使智能弹簧的等效刚度变化，最终实现对整个系统固有频率的调节。在调节的过程中，滑动摩擦的存在给系统引入一定的阻尼。并且随着滑动摩擦的改变，阻尼也会发生变化，对动力吸振器的吸振效果产生影响。

当外界作用于主系统的激励保持不变且频率较高时，仅仅依靠主支撑弹簧201的刚度，无法提供足够高的固有频率。此时，驱动压电陶瓷作动器产生足够大的法向位移，从而产生足够大的法向力，使内、外摩擦盘之间保持相对静止。副支撑弹簧202与主支撑弹簧201完全耦合，二者刚性联结为一单自由度系统。智能弹簧的等效刚度达到最大值，为两弹簧刚度之和。系统的固有频率因此也达到最大，从而实现对高频率外界激励的吸振作用。在调节的过程中，两个摩擦盘之间相对静止，可以看作为一个整体，此时智能弹簧的阻尼为零，对动力吸振器的吸振效果不产生影响。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于智能弹簧的可调谐动力吸振器，其特征在于：包括主系统、智能弹簧系统、吸能质量块，智能弹簧系统包括承载吸能质量块的支撑座、主支撑弹簧、副支撑弹簧、安装在支撑座下表面的两个外摩擦盘、位于两个外摩擦盘之间的压电陶瓷作动器，所述压电陶瓷作动器的两端分别安装两个内摩擦盘；主支撑弹簧的下端与主系统固定，主支撑弹簧的上端与支撑座下表面固定；副支撑弹簧的下端与主系统固定；副支撑弹簧的上端与压电陶瓷作动器固定；压电陶瓷作动器的两端的两个内摩擦盘分别面对两个外摩擦盘；

所述压电陶瓷作动器具有第一状态及第二状态，当压电陶瓷作动器处于第一状态时，内摩擦盘与外摩擦盘不接触；当压电陶瓷作动器伸长后达到第二状态，处于第二状态时，内摩擦盘与外摩擦盘接触并产生滑动摩擦力。

2.如权利要求1所述的可调谐动力吸振器，其特征在于：还包括第三状态，当压电陶瓷作动器自第二状态继续伸长后达到第三状态，处于第三状态时，内摩擦盘与外摩擦盘接触并相对固定，内摩擦盘与外摩擦盘产生静摩擦力。

3.如权利要求1或2所述的可调谐动力吸振器，其特征在于：主支撑弹簧与副支撑弹簧平行布置而构成两条载荷传递路径。

4.如权利要求3所述的可调谐动力吸振器，其特征在于：所述主系统为动力吸振器减振对象；外界激励经主系统传递到智能弹簧系统上。

5.如权利要求1至4中所述的可调谐动力吸振器的控制方法，其特征在于：

当外界作用于主系统的激励频率不断变化时，驱动压电陶瓷作动器动作产生法向位移，使内、外摩擦盘之间产生法向力，内、外摩擦盘之间产生滑动摩擦；调节驱动电压，改变内、外摩擦盘之间的法向力，滑动摩擦的大小随之改变，进而改变副支撑弹簧的作用大小，使智能弹簧的等效刚度变化，以对整个系统固有频率进行调节；在调节的过程中，滑动摩擦的存在给系统引入阻尼；并且随着滑动摩擦的改变，阻尼也会发生变化；

当外界作用于主系统的激励保持不变且频率较高时，驱动压电陶瓷作动器产生法向位移直至使内、外摩擦盘之间保持相对静止；智能弹簧的等效刚度达到最大值，主支撑弹簧与副支撑弹簧刚度之和；在调节的过程中，两个摩擦盘之间相对静止，此时智能弹簧的阻尼为零。

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