CN115897837A - 一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，所述隔振装置嵌入在空间柔性桁架内；所述隔振装置包括：主动隔振部分，用于进行低频主动隔振；被动隔振部分，用于进行中高频被动隔振；其中，所述主动隔振部分与所述被动隔振部分串行连接，实现对所述空间柔性桁架的超低频、低频以及中高频的主被动一体化宽频振动抑制。本发明结合了主动和被动隔振的优点，同时大大克服了各自的缺点，具有可设计性强、简便易行等优点。

Description

一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置

技术领域

本发明涉及柔性结构振动控制技术领域，具体涉及一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置。

背景技术

空间柔性桁架由于跨度大、质量轻、刚度低、结构阻尼弱等特点，表现出低频、密模、非线性等特征。同时，空间环境中无大气阻尼，振动一旦激起，就难以自行衰减。引起空间柔性桁架振动的振源相对较多，但总体而言，主要包括三类典型振源：柔性桁架结构冷热交变引起的低频大幅振动、飞轮等运动部件干扰与柔性桁架结构耦合引起的中低频振动、姿态机动与柔性桁架结构耦合引起的瞬态振动。此外，大量铰链离散地分布于空间桁架铰接结构各处，铰链之间存在间隙、碰撞和干摩擦等大量复杂非光滑因素，众多铰链碰撞、摩擦相互耦合以后会导致柔性结构产生高频振动。

被动抑制无需消耗星体能源且易于实现，通过外部硬件进行振动隔离，或者通过能量消耗的方式来衰减振动。虽然被动控制方法能够取得一定的振动抑制效果，但由于其变工况适应性差、控制不灵活，难以满足空间柔性结构振动控制要求。特别是低频振动情况下，振动幅值大，振动带宽小，使用被动方法难以实现1Hz以下的低频大幅振动抑制。与被动控制相比，主动控制利用压电陶瓷、音圈、磁致伸缩等设备作为执行器，具有控制灵活、适应性强等优点，且对低频振动抑制效果明显，其显著缺点是，断电情况下，执行机构会经历从柔性到刚性的突然转变，给柔性桁架支撑的敏感载荷带来灾难性影响。

传统的隔振元件可以通过改变几何尺寸获得一定的刚度特性，但是阻尼特性的调节非常困难，并且只能在很窄的范围内进行调制。

发明内容

为了解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提供了一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，主动部分采用音圈驱动器进行低频主动隔振，被动部分采用预紧弹簧和液体在细长孔的阻尼效应进行中高频被动隔振，两者串行连接，实现宽频范围内的主被动一体化隔振。本发明结合了主动和被动隔振的优点，同时大大克服了各自的缺点，具有可设计性强、简便易行等优点。

本发明提供了一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，所述隔振装置嵌入在空间柔性桁架内；所述隔振装置包括：

主动隔振部分，用于进行低频主动隔振；

被动隔振部分，用于进行中高频被动隔振；

其中，所述主动隔振部分与所述被动隔振部分串行连接，实现对所述空间柔性桁架的超低频、低频以及中高频的主被动一体化宽频振动抑制。

可选地，所述隔振装置还包括：

液压力放大机构，设置于所述音圈执行器的输出端，用于放大所述音圈执行器的驱动力。

可选地，所述液压力放大机构包括：主动侧波纹管、被动侧波纹管、阻尼板、细长孔、充油孔、被动侧端盖、密封球以及紧定螺钉。主动侧波纹管和被动侧波纹管分别置于阻尼板两侧；被动侧波纹管一端与阻尼板相连，另一端与被动侧端盖相连；主动侧波纹管一端与阻尼板相连，另一端由主动音圈进行控制；对主动侧波纹管和被动侧波纹管形成的主动空腔和被动空腔进行充油处理，并使液体充满主动空腔和被动空腔；采用密封球填充充油孔，并采用紧定螺钉压迫密封球进行密封；主动侧波纹管和被动侧波纹管中的液体可沿阻尼板上的细长孔来回流动。

可选地，所述主动侧波纹管和所述被动侧波纹管用于存储液体，所述主动侧波纹管和所述被动侧波纹管通过所述阻尼板上开设的的细长孔形成连通器。

可选地，所述主动隔振部分为音圈执行器；所述音圈执行器包括：音圈定子和音圈动圈；所述音圈动圈设置于所述音圈定子内。

可选地，所述音圈动圈包括：主动侧端盖、内线圈骨架、外线圈骨架、内线圈筒以及外线圈筒；所述音圈动圈通过所述主动侧波纹管联结在机架上，并沿其径向其设置内线圈筒和外线圈筒，所述内线圈筒和所述外线圈筒均采用多股线圈并绕；所述主动侧端盖设置于所述内线圈骨架内；所述内线圈筒设置于所述内线圈骨架上，所述外线圈筒设置于所述外线圈骨架上；所述音圈定子包括：多个环形永磁体、多个环形导磁体、多个定位环、内导磁筒、外导磁筒以及直线轴承；所述内导磁筒和所述外导磁筒同轴设置，所述内导磁筒和所述外导磁筒之间形成环形腔体，多个所述环形永磁体、所述环形导磁体和所述定位环整体嵌入所述环形腔体中，沿轴向设置多层环形永磁体，所述环形永磁体之间通过所述环形导磁体均匀分开，所述环形导磁体通过所述定位环沿轴向定位。

可选地，所述隔振装置还包括：

支撑筒，设置于所述音圈执行器的上端；

上顶盖，设置于所述支撑筒，并与所述支撑筒形成用于容纳所述液压力放大机构的内腔体。

可选地，所述隔振装置还包括：

上端盖，设置于所述上顶盖，其外圆表面与所述上顶盖内圆表面之间沿轴向发生相对运动。

可选地，所述隔振装置还包括：

下顶盖，设置于所述音圈执行器的下端；所述音圈执行器与所述下顶盖通过压环联结。

可选地，所述被动隔振部分包括：

弹簧制动器；

预紧弹簧，其第一端用于支撑所述下顶盖，其第二端通过所述弹簧制动器与所述主动侧端盖的输出轴相联结。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

(1)本发明提供的液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，可将隔振装置作为桁架的一部分嵌入进去，对柔性桁架进行超低频、低频、中高频主被动一体化宽频振动抑制。隔振装置输入和输出端预留有安装位置，上端盖1在上顶盖中滑动，具有较高的支撑刚度。

(2)音圈执行器通过沿轴向设置多层的环形永磁体，沿径向设置多个内外线圈，提高了音圈驱动力，同时音圈部分整体结构紧凑、可设计性强。

(3)液压力放大机构在低频情况下对音圈输出力放大，同时液压方式保证了大推力平稳性输出；在中高频情况下，可对阻尼板上的细长孔尺寸(直径、长度)、布局进行参数化设计，进而可以方便地调整隔振器的阻尼特性。

(4)预紧弹簧对负载具有支撑作用，将负载拉至平衡位置，同时使音圈执行器动圈处于平衡位置，并在此平衡位置附近进行振动，可在音圈主动驱动不发挥作用时提供被动振动抑制。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中隔振装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例中音圈执行器结构示意图；

图3为本发明实施例中音圈执行器动圈结构示意图；

图4为本发明实施例中音圈执行器定子结构示意图；

图5为本发明实施例中液压力放大机构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，但是应该理解的是，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种端，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的端彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一端也可以被称为第二端，类似地，第二端也可以被称为第一端。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供了一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，嵌入在空间柔性桁架内，实现宽频范围内的主被动一体化隔振，结合了主动和被动隔振的优点，同时大大克服了各自的缺点，具有可设计性强、简便易行等优点。

下文将结合附图对本发明实施例的技术方案进行详细描述。

请参阅图1，本实施例提供的液电混合式主被动一体化宽频隔振装置主要包括：上端盖1、上顶盖2、支撑筒3、音圈执行器4、下顶盖5、弹簧制动器6、预紧弹簧7、压环8以及液压力放大机构9。上端盖1、上顶盖2、支撑筒3、音圈执行器4、下顶盖5、弹簧制动器6、预紧弹簧7、压环8以及液压力放大机构9自上而下依次设置。音圈执行器4与液压力放大机构9通过螺钉沿轴向串行联结；液压力放大机构9设置于所述音圈执行器4的输出端，用于放大所述音圈执行器4的驱动力；上端盖1外圆表面与上顶盖2内圆表面之间沿轴向发生相对运动；上顶盖2和被动侧端盖24共同支撑负载，安装于被动侧波纹管25上；液压力放大机构9嵌入在上顶盖2与支撑筒3形成的内腔体中，并与上顶盖2、支撑筒3相互联结；支撑筒3沿壁厚方向开设有若干个矩形孔，音圈执行器4一方面通过矩形孔与支撑筒3联结，另一方面通过压环8与下顶盖5联结；预紧弹簧7的一端支撑下顶盖5，另一端通过弹簧制动器6与音圈执行器4联结。

本实施例中，采音圈执行器4作为主动隔振部分，进行低频主动隔振，弹簧制动器6和预紧弹簧7等作为被动隔振部分，进行中高频被动隔振；所述主动隔振部分与所述被动隔振部分串行连接，实现对所述空间柔性桁架的超低频、低频以及中高频的主被动一体化宽频振动抑制。

优选地，上端盖1、上顶盖2、支撑筒3、下顶盖5以及弹簧制动器6均采用铝合金材料，预紧弹簧7采用弹簧钢材料，其他联结螺栓采用不锈钢材料。

本实施例中，上端盖1用于支撑负载，其外圆表面与上顶盖2内圆表面之间沿轴向发生相对运动。液压力放大机构9用于提供中高频被动隔振功能，其嵌入在上顶盖2与支撑筒3形成的内腔体中，并与上顶盖2、支撑筒3通过螺钉相互联结固定。

本实施例中，支撑筒3沿壁厚方向开设有若干个矩形孔，音圈执行器4用于提供低频主动隔振功能，一方面通过矩形孔与支撑筒3联结，另一方面通过压环8与下顶盖5联结。预紧弹簧7一端用于支撑下顶盖5，另一端通过弹簧制动器6与主动侧端盖12的输出轴相联结。阻尼板26、外导磁筒19、下顶盖5、支撑筒3相互联结形成机架，内导磁筒20和多个环形永磁体17固定在机架上。上端盖1和被动侧端盖24用于支撑负载，安装于被动侧波纹管25上。

请参阅图2，所述音圈执行器4包括：音圈动圈10和音圈定子11。所述音圈动圈10设置于所述音圈定子11内，所述的音圈动圈10通过主动侧波纹管27联结在机架上，并沿其径向设置内线圈筒15和外线圈筒16，线圈筒采用多股线圈并绕。

优选地，线圈材料为铜材料，线圈骨架为铝材料。

请参阅图3，所述音圈动圈10包括：主动侧端盖12、内线圈骨架13、外线圈骨架14、内线圈筒15、外线圈筒16。所述主动侧端盖12设置于所述内线圈骨架13内；所述内线圈筒15设置于所述内线圈骨架13上，所述外线圈筒16设置于所述外线圈骨架14上。

为满足大推力需求，一方面可沿径向设置内线圈筒15和外线圈筒16，以增加气隙；另一方面可增加内线圈筒15和外线圈筒16螺线管的轴向长度，但须确保线圈筒在磁场内部运动。

优选地，考虑双股线圈并绕，进而降低线圈的电阻率，以降低线圈发热。

请参阅图4，所述音圈定子11包括：多个环形永磁体17、多个环形导磁体18、多个定位环22、内导磁筒20、外导磁筒19以及直线轴承21。所述内导磁筒20和外导磁筒19采用同轴布局，形成环形腔体，多个环形永磁体17、环形导磁体18、定位环22整体嵌入环形腔体中；沿轴向设置多层环形永磁体17，环形永磁体17之间通过环形导磁体18均匀分开，环形导磁体18则通过定位环22沿轴向定位。

优选地，3个环形永磁体17通过2个环形导磁体18均匀分开，2个环形导磁体18之间通过3个定位环22沿轴向定位。

同时，采用直线轴承21，用于提高音圈动圈10在轴向驱动过程中的线性度。

优选地，永磁体材料为钕铁硼35，导磁体材料为电磁纯铁DT4E。

请参阅图5，所述液压力放大机构9包括：主动侧波纹管27、被动侧波纹管25、阻尼板26、细长孔28、充油孔29、被动侧端盖24、密封球30以及紧定螺钉23。阻尼板26、外导磁筒19、下顶盖5、支撑筒3相互联结形成机架，内导磁筒20和多个环形永磁体17固定在机架上。液体由液压力放大机构9的充油孔29充入，填充在被动侧波纹管25和主动侧波纹管27的空腔内，液体通过阻尼板26上的细长孔28连通两个空腔，实现中高频被动隔振。所述的主动侧波纹管27和被动侧波纹管25为液体储存腔，阻尼板26上开了若干个细长孔28，液体通过阻尼板26上的细长孔28连通两个空腔，可对阻尼板26上的细长孔28尺寸(直径、长度)、布局进行参数化设计，调整其阻尼特性。

本实施例采用主动侧波纹管27和被动侧波纹管25作为液体储存腔来使用，两个波纹管腔体通过阻尼板26上的细长孔28形成连通器。由于结构原因，波纹管工作在压缩状态时，其刚度较小而且线性较好，因此两个波纹管使用时均进行预压缩。将主动侧波纹管27、被动侧波纹管25、阻尼板26连接好以后，充油孔29打开，压缩被动侧波纹管25和主动侧波纹管27，液体填充在两侧波纹管的空腔内，液体注满之后，使用密封球30及紧钉螺钉23封住充油孔29。液体通过阻尼板上26的细长孔28连通两个空腔，发挥被动隔振作用。

本实施例中，被动侧波纹管25在驱动过程中，被动侧端盖24与上端盖1连结，上端盖1与上顶盖2之间通过外圆结构沿轴向发生相对运动，可以抵抗被动波纹管25在驱动过程中产生的非线性弯曲，并对被动波纹管25起到防护作用。

充油过程中，采用真空滴注，利用油自身重量和外部大气压强使得油充满主动和被动空腔，然后使用密封球30填充充油孔29，使用紧定螺钉23压迫密封球30进行密封。

优选地，密封球30采用橡胶材料。

优选地，液体为硅油阻尼液，密封球30为橡胶材料。

本实施例对于阻尼板26上开设的细长孔28的尺寸(直径、长度)、布局不作具体限定，其可根据实际需求进行参数化设计，以方便调整隔振器的阻尼特性。

优选地，主动侧波纹管27的直径为被动侧波纹管25直径的1/2，则面积比为1/4，理论上音圈执行器4驱动力经过液压力放大机构9以后，输出力提高了4倍。

本实施例采用机械限位，被动侧波纹管25压缩，主动侧波纹管27伸长到极限位置，音圈执行器4的音圈动圈10运动到下极限，内导磁筒20顶住主动侧端盖12而限位。当主动侧波纹管27压缩，被动侧波纹管25伸长到极限位置，被动侧端盖24被上顶盖2的环形挡圈结构限位。

本实施例中，被动侧波纹管25在驱动过程中，被动侧端盖24与上端盖1连结，上端盖1与上顶盖2之间通过外圆结构沿轴向发生相对运动，可以抵抗波纹管在驱动过程中产生的弯曲，并对波纹管起到防护作用。

本实施例中，所述主动侧波纹管27和所述被动侧波纹管25用于存储液体，所述主动侧波纹管27和所述被动侧波纹管25通过所述阻尼板26上开设的的细长孔28形成连通器。

本实施例中，预紧弹簧7的第一端用于支撑所述下顶盖5，预紧弹簧7的第二端通过所述弹簧制动器6与所述主动侧端盖12的输出轴相联结。所述的预紧弹簧7，一方面对负载具有支撑作用，将负载拉至平衡位置，同时使音圈执行器4动圈处于平衡位置，并在此平衡位置附近进行振动，另一方面与液体穿过阻尼板26上的细长孔28会形成的摩擦阻尼，进而组成弹簧-阻尼系统，在主动驱动不发挥作用时提供被动隔振功能。

以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述隔振装置嵌入在空间柔性桁架内；所述隔振装置包括：

主动隔振部分，用于进行低频主动隔振；

被动隔振部分，用于进行中高频被动隔振；

其中，所述主动隔振部分与所述被动隔振部分串行连接，实现对所述空间柔性桁架的超低频、低频以及中高频的主被动一体化宽频振动抑制。

2.如权利要求1所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述隔振装置还包括：

液压力放大机构，设置于所述音圈执行器的输出端，用于放大所述音圈执行器的驱动力。

3.如权利要求2所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述液压力放大机构包括：主动侧波纹管、被动侧波纹管、阻尼板、细长孔、充油孔、被动侧端盖、密封球以及紧定螺钉；主动侧波纹管和被动侧波纹管分别置于阻尼板两侧；被动侧波纹管一端与阻尼板相连，另一端与被动侧端盖相连；主动侧波纹管一端与阻尼板相连，另一端由主动音圈进行控制；对主动侧波纹管和被动侧波纹管形成的主动空腔和被动空腔进行充油处理，并使液体充满主动空腔和被动空腔；采用密封球填充充油孔，并采用紧定螺钉压迫密封球进行密封；主动侧波纹管和被动侧波纹管中的液体可沿阻尼板上的细长孔来回流动。

4.如权利要求3所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述主动侧波纹管和所述被动侧波纹管用于存储液体，所述主动侧波纹管和所述被动侧波纹管通过所述阻尼板上开设的细长孔形成连通器。

5.如权利要求4所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述主动隔振部分为音圈执行器；所述音圈执行器包括：音圈定子和音圈动圈；所述音圈动圈设置于所述音圈定子内。

6.如权利要求5所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述音圈动圈包括：主动侧端盖、内线圈骨架、外线圈骨架、内线圈筒以及外线圈筒；所述音圈动圈通过所述主动侧波纹管联结在机架上，并沿其径向其设置内线圈筒和外线圈筒，所述内线圈筒和所述外线圈筒均采用多股线圈并绕；所述主动侧端盖设置于所述内线圈骨架内；所述内线圈筒设置于所述内线圈骨架上，所述外线圈筒设置于所述外线圈骨架上；所述音圈定子包括：多个环形永磁体、多个环形导磁体、多个定位环、内导磁筒、外导磁筒以及直线轴承；所述内导磁筒和所述外导磁筒同轴设置，所述内导磁筒和所述外导磁筒之间形成环形腔体，多个所述环形永磁体、所述环形导磁体和所述定位环整体嵌入所述环形腔体中，沿轴向设置多层环形永磁体，所述环形永磁体之间通过所述环形导磁体均匀分开，所述环形导磁体通过所述定位环沿轴向定位。

7.如权利要求6所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述隔振装置还包括：

支撑筒，设置于所述音圈执行器的上端；

上顶盖，设置于所述支撑筒，并与所述支撑筒形成用于容纳所述液压力放大机构的内腔体。

8.如权利要求7所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述隔振装置还包括：

上端盖，设置于所述上顶盖，其外圆表面与所述上顶盖内圆表面之间沿轴向发生相对运动。

9.如权利要求8所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述隔振装置还包括：

下顶盖，设置于所述音圈执行器的下端；所述音圈执行器与所述下顶盖通过压环联结。

10.如权利要求9所述液电混合式主被动一体化宽频隔振装置，其特征在于，所述被动隔振部分包括：

弹簧制动器；

预紧弹簧，其第一端用于支撑所述下顶盖，其第二端通过所述弹簧制动器与所述主动侧端盖的输出轴相联结。

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