CN112594314A - 一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器 - Google Patents

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Abstract

一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，属于航天器减振和隔振技术领域。本发明包括多组阵列布置的阻尼板弹簧、内圈螺母、外圈螺母、内支撑轴、外支撑筒、轴端转接杆、筒端转接杆和限位块；阻尼板弹簧沿轴向阵列叠加，布置在支撑筒内部；内圈螺母和内支撑轴将阵列阻尼板弹簧的内圈压紧固定；外圈螺母和外支撑筒将阵列阻尼板弹簧的外圈压紧固定；轴端转接杆与内支撑轴固定链接，提供轴端对外机械接口；筒端转接杆与外支撑筒固定链接，提供轴端对外机械接口。

Description

一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器
技术领域
本发明涉及一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，属于航天器减振和隔振技术领域。
背景技术
在航天器的寿命周期内，发射过程中的振动环境最为恶劣，期间受到载荷作用主要包括：发动机推力噪声；整流罩上的气动噪声；发动机的点火、关机、级间分离和整流罩分离引起的冲击等。恶劣的振动环境对卫星的设计和生存产生不良影响，甚至造成发射失败。为了保证卫星发射过程中的安全性，需要对敏感元件或者仪器进行减振或隔振处理。
目前，航天器中的被动减振器一般采用利用粘弹性阻尼材料剪切变形，将振动的机械能转化为耗散的热能，从而达到减振效果(例如专利CN104879414、CN108910151)，因工作原理限制，传统形式的阻尼减振器阻尼损耗因子一般较小，且体积重量较大，阻尼胶实施工艺较为复杂，因而适应性较差，无法满足多样化的空间负载和振动工况需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，具有较大的阻尼损耗因子和较宽的振动适应性，减振器的主要性能由特定几组关键参数决定，因而可以通过调整设计参数设计不同减振需求的减振器，可进一步发展为系列化、型谱化的产品。
本发明的技术解决方案是：一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，包括多组阵列布置的阻尼板弹簧、内圈螺母、外圈螺母、内支撑轴、外支撑筒、轴端转接杆、筒端转接杆和限位块；
阻尼板弹簧沿轴向阵列叠加，布置在支撑筒内部；
内圈螺母和内支撑轴将阵列阻尼板弹簧的内圈压紧固定；外圈螺母和外支撑筒将阵列阻尼板弹簧的外圈压紧固定；
轴端转接杆与内支撑轴固定链接，提供轴端对外机械接口；筒端转接杆与外支撑筒固定链接，提供轴端对外机械接口。
进一步地，所述减振器的支撑单元为带约束阻尼结构的板弹簧，多组阻尼板弹簧阵列叠加使用，提供特定刚度的减振支撑结构。
进一步地，所述减振器的板弹簧设有圆周均布的切槽，构成沿轴向的挠性结构；板弹簧的内圈和外圈能够在外部激励作用下产生轴向错动；两端限位块对轴向错动行程进行限位。
进一步地，所述板弹簧的切槽形状为螺旋曲线。
进一步地，所述减振器的阻尼板弹簧采用约束阻尼结构形式，约束阻尼包括基层、阻尼层和约束层：基层为所述板弹簧，为弹性金属材料；约束层为金属材料，约束层结构尺寸与基层不同；阻尼层为黏弹性阻尼材料，粘接在基层和约束层之间。
进一步地，所述减振器的阻尼板弹簧采用双面约束阻尼结构。
进一步地，所述约束阻尼结构的损耗因子为：
Figure BDA0002750372670000021
Figure BDA0002750372670000022
η为约束阻尼结构的损耗因子；g为与双面剪切有关的系数；E1为基层材料的弹性模量；E3为约束层材料的弹性模量；H1为基层材料的厚度；H2为阻尼层材料的厚度；H3为约束层材料的厚度；βG为对应于剪切应力的阻尼材料的损耗因子；f为约束阻尼结构的损耗因子；G为阻尼材料储能剪切模量；P为阻尼阻尼结构弯曲振动波数。
进一步地，所述减振器板弹簧的阻尼层为橡胶型阻尼材料或塑料型阻尼材料。
进一步地，所述减振器的支撑刚度通过阻尼板弹簧数量进行调整，减振器支撑刚度与阻尼板弹簧数量成正比。
进一步地，所述减振器可用于阻尼杆单件使用，也可以多件组合作为阻尼桁架使用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明具所述减振器中，阻尼板弹簧的设计将牛津板弹簧和约束阻尼结构巧妙结合，双面约束阻尼结构比普通阻尼具有更高的阻尼损耗因子，因而阻尼减振效果更好。
2、本发明具所述减振器的结构紧凑，相同减振效果下设计的尺寸精巧、重量更小。
3、本发明所述减振器采用阻尼板弹簧轴向阵列结构，轴向刚度的线性度很高，调整阻尼板弹簧数量可线性化可调整刚度，且简单可靠。
4、本发明所述减振器采用模块化设计，具有较强的扩展性，可以发展成型谱化、系列化产品，满足不同航天器的减振需求。
附图说明
图1一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器整体轴测图
图2一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器整体爆炸图
图3阻尼板弹簧基本单元分层结构示意图。
图中，1、阻尼板弹簧；2、内圈螺母；3、外圈螺母；4、内支撑轴；5、外支撑筒；6、轴端转接杆；7、筒端转接杆；8、限位块；9、基层(金属板弹簧)；10、阻尼层(粘弹性阻尼材料)；11、约束层(金属材料)
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：
如图1和图2所示，一种基于阵列板弹簧和约束层阻尼的减振器结构包括多组阵列布置的阻尼板弹簧1、内圈螺母2、外圈螺母3、内支撑轴4、外支撑筒5、轴端转接杆6、筒端转接杆7、限位块8等部分。减振器内核心部件是阻尼板弹簧，多组阻尼板弹簧沿轴向阵列叠加压紧；内圈螺母和内支撑轴将阵列阻尼板弹簧的内圈压紧固定；外圈螺母和外支撑筒将阵列阻尼板弹簧的外圈压紧固定；轴端转接杆与内支撑轴固定，提供轴端对外机械接口。
减振器内核心部件是阻尼板弹簧，其结构如图3所示，由切槽板弹簧的双面增加约束阻尼结构组成，包括基层板弹簧9、阻尼层10和约束层11。阻尼板弹簧的刚度特性主要取决于切槽板弹簧，而阻尼特性主要取决于约束阻尼结构。板弹簧的切槽一般为阿基米德螺线形状，切槽后的板弹簧主要特点是径向刚度远大于轴向刚度，因而可以在轴向发生较大弹性变形时，同时保证轴心位置无径向位移。通过调整螺旋线的形状即可以改变板弹簧轴向刚度以及变形时的应力分布。阿基米德螺线，调整螺线的基本参数可以改变板弹簧的轴向刚度，其极坐标参数化表达公式为：
R＝a+b*θ
式中，R为半径；θ为极角，a为θ＝0°时的半径；b为半径随极角的单位变化率。
阻尼板弹簧采用双面约束阻尼结构：板弹簧作为基层；双面的最外层为约束层，约束层采用与基层不同材料或尺寸的金属；阻尼层为粘弹性阻尼橡胶或塑料，将基层和约束层粘接成型为一体。通过调整基层、阻尼层和约束层之间的厚度比例可以改变阻尼板弹簧单元的损耗因子。减振器的阻尼板弹簧采用双面约束阻尼结构，可达到更高的结构阻尼损耗因子。约束阻尼结构的损耗因子的简化计算公式为：
Figure BDA0002750372670000051
Figure BDA0002750372670000052
简化计算公式中：η为约束阻尼结构的损耗因子；g为与双面剪切有关的系数；E1为基层材料的弹性模量；E3为约束层材料的弹性模量；H1为基层材料的厚度；H2为阻尼层材料的厚度；H3为约束层材料的厚度；βG为对应于剪切应力的阻尼材料的损耗因子；f为约束阻尼结构的损耗因子；G为阻尼材料储能剪切模量；P为阻尼阻尼结构弯曲振动波数
单个减振器内含有多组沿轴向阵列压紧的阻尼板弹簧，其结构形式为多组串联，因而具有较高的线性度，已知单件阻尼板弹簧的刚度和阻尼参数后，根据串联规律即可近似得到减振器的整体刚度和阻尼参数，根据载荷激励和减振需求选择合适参数(如板弹簧刚度、阻尼损耗因子、阻尼板弹簧数量等)的减振器即可。本发明所述减振器采用阵列化模块设计结构，空间利用率很高，相对于传统阻尼减振器，结构更加紧凑精巧，性能更加优异。减振器的支撑刚度可通过阻尼板弹簧数量进行调整，减振器支撑刚度与阻尼板弹簧数量成正比，其计算公式为：
K＝N*K0
式中，K为减振器的整体刚度，K0为单片板弹簧的刚度，N为板弹簧的阵列数量。
由于本发明所述减振器的板弹簧刚度、阻尼损耗因子、阻尼板弹簧数量等参数在一定范围内具有适应性和扩展性，该章节描述的实施方式为本发明的实施举例，而不是全部的实施例。本领域的技术人员在无创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都应当属于本发明所保护的范围。
本发明的核心思路是将切槽板弹簧和约束阻尼结构的优点巧妙结合，因而核心内容是确定板弹簧刚度、阻尼损耗因子、阻尼板弹簧数量等基本设计参数。具体实现方式有两条技术路线：“单元到整体”和“整体到单元”。“单元到整体”路线先设计一组特定基本参数(螺旋切槽和约束阻尼损耗因子)的阻尼板弹簧单元，分析计算获得单件阻尼板弹簧单元的刚度和阻尼损耗因子，然后根据减振器整体的外部负载和振动激励条件确定板弹簧的阵列数量，最后配套设计内支撑轴、外支撑筒、转接杆、限位块等。“整体到单元”路线则是根据外部负载和振动激励条件确定整体刚度和阻尼参数，分配阵列数量和单件阻尼板弹簧的基本参数，然后通过调整切槽曲线和约束阻尼结构各层比例来匹配，最后配套设计内支撑轴、外支撑筒、转接杆、限位块等。
设计完成后，按照要求批量备制阻尼板弹簧，并测试其刚度和阻尼特性。减振器板弹簧的阻尼层一般为粘弹性阻尼材料，其阻尼损耗因子一般会随环境温度变化，因而每个批次建议通过样件试验测定和修正阻尼损耗因子。
本发明所述减振器的工作原理：
当减振器受到两端载荷激励时，内支撑轴和外支撑筒沿轴向产生相对运动，使得减振器内的阻尼板弹簧阵列发生内外圈错位变形。微观上，每件阻尼板弹簧的基层弯曲振动引起阻尼层产生拉.压变形；约束层的弯曲振动也引起阻尼层产生拉.压变形；由于阻尼层与基层接触的表面所产生的拉、压变形不同于与约束层接触的表面所产生的拉、压变形，从而在阻尼材料内部产生剪切变形。因此约束阻尼处理结构中，阻尼层不仅承受拉、压变形，还同时承受剪切变形，它们都能起到耗能作用，因而一般来说约束阻尼结构的阻尼损耗因子更大，因而具有良好的减振效果。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：包括多组阵列布置的阻尼板弹簧、内圈螺母、外圈螺母、内支撑轴、外支撑筒、轴端转接杆、筒端转接杆和限位块；
阻尼板弹簧沿轴向阵列叠加，布置在支撑筒内部；
内圈螺母和内支撑轴将阵列阻尼板弹簧的内圈压紧固定；外圈螺母和外支撑筒将阵列阻尼板弹簧的外圈压紧固定；
轴端转接杆与内支撑轴固定链接，提供轴端对外机械接口；筒端转接杆与外支撑筒固定链接，提供轴端对外机械接口。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器的支撑单元为带约束阻尼结构的板弹簧，多组阻尼板弹簧阵列叠加使用，提供特定刚度的减振支撑结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器的板弹簧设有圆周均布的切槽，构成沿轴向的挠性结构；板弹簧的内圈和外圈能够在外部激励作用下产生轴向错动；两端限位块对轴向错动行程进行限位。
4.根据权利要求3所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述板弹簧的切槽形状为螺旋曲线。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器的阻尼板弹簧采用约束阻尼结构形式，约束阻尼包括基层、阻尼层和约束层：基层为所述板弹簧，为弹性金属材料；约束层为金属材料，约束层结构尺寸与基层不同；阻尼层为黏弹性阻尼材料，粘接在基层和约束层之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器的阻尼板弹簧采用双面约束阻尼结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述约束阻尼结构的损耗因子为：
Figure FDA0002750372660000021
Figure FDA0002750372660000022
η为约束阻尼结构的损耗因子；g为与双面剪切有关的系数；E1为基层材料的弹性模量；E3为约束层材料的弹性模量；H1为基层材料的厚度；H2为阻尼层材料的厚度；H3为约束层材料的厚度；βG为对应于剪切应力的阻尼材料的损耗因子；f为约束阻尼结构的损耗因子；G为阻尼材料储能剪切模量；P为阻尼阻尼结构弯曲振动波数。
8.根据权利要求1所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器板弹簧的阻尼层为橡胶型阻尼材料或塑料型阻尼材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器的支撑刚度通过阻尼板弹簧数量进行调整，减振器支撑刚度与阻尼板弹簧数量成正比。
10.根据权利要求1所述的一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器，其特征在于：所述减振器可用于阻尼杆单件使用，也可以多件组合作为阻尼桁架使用。
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