CN116467814A - 惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器及其参数取值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于应用于航天器惯性执行机构的隔振器设计领域，公开了一种惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，该隔振器包括上转接盘、鼓式金属弹簧组件和下转接盘，上转接盘包括安装盘和倾斜外伸板，安装盘用于安装在飞轮上，倾斜外伸板围绕安装盘设置多个，倾斜外伸板的一端与安装盘固定相连、其另一端通过鼓式金属弹簧组件与下转接盘相连，从而在上下转接盘之间形成弹性连接，本发明通过在飞轮与其原有支架之间设置鼓式金属弹簧组件，通过鼓式金属弹簧具有非线性刚度的力学特性，当其变形较小时，表现出低刚度线性特性，当其变形较大时，鼓式金属弹簧压缩量较大，从而满足飞轮发射段变形量与刚度同步增大、在轨段变形量与刚度同步减小的设计要求。
Description
技术领域
本发明属于应用于航天器惯性执行机构的隔振器设计领域，具体涉及一种惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器及其参数取值方法。
背景技术
飞轮作为一种常用的惯性执行机构是控制航天器平台姿态和保持精度的关键机械部件，其工作原理是通过自身储存的角动量与航天器进行角动量交换，来实现稳定飞行。动量轮在轨运行时的因其轴承构件的摩擦、碰撞和接触等，转子系统的静、动不平衡量、转子系统支承挠性、壳体等结构挠性等，会产生量级较小的微振动，直接影响航天器平台的指向精度、姿态稳定度和成像质量。因此为了满足航天器平台高精度、高稳定的要求，必须对航天器平台采取有效的微振动抑制措施，降低其微振动水平。此外，航天器在发射过程中，会承受较大的冲击载荷和加速度载荷，飞轮作为一种高精度设备，内部结构容易受到损伤，因此卫星飞轮存在发射段和在轨段双工况隔振需求。
在惯性执行机构和航天器平台之间采用隔振器是通用性较强的方式。现阶段用于飞轮的隔振器一方面只能保证发射段的隔振需求，对在轨段的微振动的隔振效果较差；另一方面具有质量重、体积大的缺点。
现有隔振器中采用的结构设计只能提供线性刚度，不适合飞轮发射段变形量大需求更大刚度、在轨段变形量小需求更小刚度的设计要求
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器及其参数取值方法，以解决现有技术中的问题，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于鼓式金属弹簧隔振器的参数取值方法，包括以下步骤：
步骤一，基于三维建模软件，建立隔振器-飞轮等效质量单元系统的三维模型；
步骤二，将鼓式金属弹簧和金属橡胶的关键结构参数进行参数化，金属橡胶的密度转化为材料的弹性模量，将参数化后的模型导入仿真软件；
步骤三，对隔振器-飞轮等效质量单元系统进行有限元网格划分，按照隔振器-飞轮系统的在轨隔振前六阶模态频率范围要求，对隔振器的关键参数进行循环迭代优化，得到满足频率要求的隔振器结构参数取值。
进一步的，关键结构参数包括鼓式金属弹簧和金属橡胶的刚度。
一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，包括上转接盘、鼓式金属弹簧组件和下转接盘；
所述上转接盘包括安装盘和倾斜外伸板，所述安装盘用于安装在飞轮上，所述倾斜外伸板围绕所述安装盘设置多个，所述倾斜外伸板的一端与所述安装盘固定相连、其另外一端通过鼓式金属弹簧组件与所述下转接盘相连，从而在上、下转接盘之间形成弹性连接。
进一步的，所述鼓式金属弹簧组件为球体结构，其包括上侧半球部件和下侧半球部件；
所述上侧半球部件包括均为半球空心壳形的上侧金属橡胶和上侧鼓式金属弹簧，所述上侧鼓式金属弹簧套设在所述上侧金属橡胶上，所述下侧半球部件包括下侧金属橡胶和下侧鼓式金属弹簧，所述下侧半球部件与所述上侧半球部件结构相同且对称设置，上、下侧半球部件相对的一侧端面可拆卸连接所述倾斜外伸板，所述下侧半球部件可拆卸连接所述下转接盘。
进一步的，所述倾斜外伸板端部固定连接连接盘，所述连接盘的上下两侧均设置有环形槽，上、下侧半球部件的端面别卡接在两个所述环形槽内。
进一步的，所述连接盘上固定设置支撑球体，所述环形槽围绕所述支撑球体的外侧周面设置，所述支撑球体分为两个半球部分，两个半球部分分别位于所述连接盘上、下两侧，并且两个半球部分分别卡接在上、下侧金属橡胶的内侧空心部分内。
进一步的，所述连接盘与所述下转接盘通过螺栓连接，所述螺栓穿过所述鼓式金属弹簧组件和所述连接盘，所述螺栓位于所述环形槽和所述鼓式金属弹簧组件的轴心上。
进一步的，所述鼓式金属弹簧组件至少设置三个，多个所述鼓式金属弹簧组件上的螺栓轴心均匀分布在一锥形周面上。
进一步的，所述下转接盘包括固定平台和下侧倾斜板，所述下侧倾斜板与所述倾斜外伸板的数量相同且位置对应，所述下侧倾斜板与所述倾斜外伸板之间设置所述鼓式金属弹簧组件；
所述下侧倾斜板与所述倾斜外伸板均倾斜设置，并且二者垂直设置，所述下侧倾斜板位于所述鼓式金属弹簧组件的底部，所述螺栓与所述倾斜外伸板平行、并与所述下侧倾斜板垂直。
进一步的，所述固定平台与所述安装盘平行设置。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在飞轮与其原有支架之间设置鼓式金属弹簧组件，通过鼓式金属弹簧具有非线性刚度的力学特性，当其变形较小时，表现出低刚度线性特性，当其变形较大时，鼓式金属弹簧压缩量较大，每一层的片与片之间接触，表现出高刚度线性特征，从而满足飞轮发射段变形量与刚度同步增大、在轨段变形量与刚度同步减小的设计要求。
2、本发明通过创新的鼓式金属弹簧结构以及与之嵌合的内外表面均为半球状的金属橡胶，解决了传统隔振器不能兼顾发射段大载荷隔振和在轨段微振动抑制的问题，且实现了多向隔振，取得了良好的隔振效果。此外，该结构简单，极大的降低了隔振器的重量与体积，为飞轮隔振器的在轨应用提供重要技术方案，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为剖视示意图；
图3为上转接盘俯视示意图；
图4为上转接盘剖视示意图。
图5为下转接盘示意图；
图6为鼓式弹簧轴向试验力-位移曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1-图6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
参考图1，一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，包括上转接盘2、鼓式金属弹簧组件3和下转接盘4；
所述上转接盘2包括安装盘201和倾斜外伸板202，所述安装盘201用于安装在飞轮1上，所述倾斜外伸板202围绕所述安装盘201设置多个，所述倾斜外伸板202的一端与所述安装盘201固定相连、其另外一端通过鼓式金属弹簧组件3与所述下转接盘4相连，从而在上、下转接盘之间形成弹性连接。
飞轮1为现有技术，安装盘201提供机械接口与飞轮1相连，例如螺栓连接，倾斜外伸板202一端位于安装盘201的外周面，另一端连接鼓式金属弹簧组件3，倾斜外伸板202倾斜设置，且在安装盘201下方倾斜朝下设置，安装盘201为圆盘结构，其直径与飞轮1原安装边直径一致，为了确保隔振器系统的稳定性，其重心不易太高，故倾斜外伸板202的倾斜角度取值范围具体为35°～55°，其长度70～100mm，以保证隔振器结构不与飞轮发生干涉，下转接盘4可通过螺钉固定在飞轮1原有的支架上。
鼓式金属弹簧具有多向刚度均匀的力学性能，其刚度对受载角度不敏感，本发明通过在飞轮1与其原有支架之间设置鼓式金属弹簧组件3，通过鼓式金属弹簧具有非线性刚度的力学特性，当其变形较小时，表现出低刚度线性特性，当其变形较大时，鼓式金属弹簧压缩量较大，每一层的片与片之间接触，表现出高刚度线性特征，从而满足飞轮1发射段变形量与刚度同步增大、在轨段变形量与刚度同步减小的设计要求。
参考图2，下面说明鼓式金属弹簧组件3的具体结构：
所述鼓式金属弹簧组件3为球体结构，其包括上侧半球部件和下侧半球部件；
所述上侧半球部件包括均为半球空心壳形的上侧金属橡胶301和上侧鼓式金属弹簧304，所述上侧鼓式金属弹簧304套设在所述上侧金属橡胶301上，所述下侧半球部件包括下侧金属橡胶302和下侧鼓式金属弹簧303，所述下侧半球部件与所述上侧半球部件结构相同且对称设置，上、下侧半球部件相对的一侧端面可拆卸连接所述倾斜外伸板202，所述下侧半球部件可拆卸连接所述下转接盘4。
具体而言，鼓式金属弹簧即现有技术中的球形弹簧、鼓形簧，上侧金属橡胶301和下侧金属橡胶302的空心部分共同形成一空心球形腔。
上、下侧鼓式金属弹簧空心内部设置内、外表面均为空心半球状的金属橡胶，多向刚度、阻尼均匀，金属橡胶在受到压缩时，金属橡胶内部的金属丝相互摩擦，提供摩擦阻尼，进行耗能，且金属橡胶的阻尼为非线性阻尼，随着位移的增大而增大，而鼓式金属弹簧的刚度随压缩量的增加而变大，金属橡胶的相对密度应设计在0.06～0.15之间，使得金属橡胶提供较小刚度。
鼓式金属弹簧(上侧鼓式金属弹簧304和下侧鼓式金属弹簧303)为鼓式金属弹簧组件3提供主要刚度，其刚度根据其轴向变形大小分为低刚度线性段和高刚度线性段，其刚度由材料、径向厚度、槽高(H2)、片高、外半球直径等决定。
飞轮1在轨段微振动载荷下要求隔振器提供小刚度和小阻尼，此时鼓式金属弹簧的刚度位于低刚度线性段，金属橡胶提供小阻尼，当飞轮1在发射段承受较大的冲击及随机载荷时，此时鼓式金属弹簧变形较大，其刚度位于大刚度线性段，提供大刚度，金属橡胶也随着鼓式金属弹簧压缩量的变大，提供大阻尼.
具体而言，可参考图6，为鼓式弹簧试验力-位移曲线，对鼓式弹簧的轴向进行压缩试验，试验结果可知，当位移小于9.3mm时，鼓式弹簧位于弱刚度线性段，刚度较低，当位移大于9.3mm时，进入强刚度线性段，刚度较大。
本发明通过创新的鼓式金属弹簧结构以及与之嵌合的内外表面均为半球状的金属橡胶，解决了传统隔振器不能兼顾发射段大载荷隔振和在轨段微振动抑制的问题，且实现了多向隔振，取得了良好的隔振效果。此外，该结构简单，极大的降低了隔振器的重量与体积，为飞轮隔振器的在轨应用提供重要技术方案，应用前景广阔。
参考图2-图4，下面说明鼓式金属弹簧组件3的连接结构：
所述倾斜外伸板202端部固定连接连接盘203，所述连接盘203的上下两侧均设置有环形槽206，上、下侧半球部件的端面别卡接在两个所述环形槽206内，即上侧金属橡胶301和上侧鼓式金属弹簧304的端面卡接在上侧的环形槽206内，下侧金属橡胶302和下侧鼓式金属弹簧303的端面卡接在下侧的环形槽206内。
具体而言，连接盘203优选为圆盘结构，环形槽206与其同心，连接盘203的轴心与倾斜外伸板202平行，倾斜外伸板202的下端固定连接连接盘203的外侧面，而且倾斜外伸板202位于连接盘203的径向。
此外，环形槽206的槽深应高于鼓式金属弹簧轴向最大变形，以确保鼓式金属弹簧不会脱离。
进一步的，所述连接盘203上固定设置支撑球体205，所述环形槽206围绕所述支撑球体205的外侧周面设置，所述支撑球体205分为两个半球部分，两个半球部分分别位于所述连接盘203上、下两侧，并且两个半球部分分别卡接在上、下侧金属橡胶的内侧空心部分内。
具体地，支撑球体205和连接盘203优选为一体化成型，支撑球体205优选为空心球体，其两个半球部分等分在连接盘203上、下两侧，以对上、下侧金属橡胶实现支撑作用。
进一步的，所述连接盘203与所述下转接盘4通过螺栓305连接，所述螺栓305穿过所述鼓式金属弹簧组件3和所述连接盘203，所述螺栓305位于所述环形槽206和所述鼓式金属弹簧组件3的轴心上。
具体地，螺栓305与穿过支撑球体205，支撑球体205、螺栓305、连接盘203、环形槽206、鼓式金属弹簧以及金属橡胶同轴设置，螺栓305与倾斜外伸板202平行，螺栓305形成约束作用，鼓式金属弹簧和金属橡胶变形时，其形变方向位于螺栓305的轴向，能够更好地实现隔振作用。
进一步的，所述鼓式金属弹簧组件3至少设置三个，多个所述鼓式金属弹簧组件3上的螺栓305轴心均匀分布在一锥形周面上。
以三个鼓式金属弹簧组件3来举例，可参考图3，图中a为支撑球体205，支撑球体205、螺栓305、连接盘203、环形槽206、鼓式金属弹簧以及金属橡胶的轴心，相邻两个轴心a之间为120°，也就是说，三个鼓式金属弹簧组件3位于一正三角形的三个顶点上，而轴心a则位于该正三角形的外切圆上，由于螺栓305倾斜，因此三个轴心a均匀间隔分布在一锥形圆周面上。
参考图2、图5，下面说明下转接盘4的具体结构：
进一步的，所述下转接盘4包括固定平台401和下侧倾斜板402，所述下侧倾斜板402与所述倾斜外伸板202的数量相同且位置对应，所述下侧倾斜板402与所述倾斜外伸板202之间设置所述鼓式金属弹簧组件3；所述下侧倾斜板402与所述倾斜外伸板202均倾斜设置，并且二者垂直设置，所述下侧倾斜板402位于所述鼓式金属弹簧组件3的底部，所述螺栓305与所述倾斜外伸板202平行、并与所述下侧倾斜板402垂直。
具体地，螺栓305顶部压紧上侧鼓式金属弹簧304的外表面，而螺栓305底部穿过下侧倾斜板402并连接螺母306，螺母306将下侧倾斜板402压紧到下侧鼓式金属弹簧303的外表面上。
进一步的，所述固定平台401与所述安装盘201平行设置。
固定平台401和安装盘201上分别设置数量、位置均对应的通孔，安装盘201上的通孔用来连接飞轮1，而固定平台401上的通孔用来连接原有支架，因此本发明保证了引入飞轮隔振器后，无需改变安装支架的机械接口，即可实现隔振器-飞轮系统与原飞轮安装支架的稳固连接。
本发明还涉及一种用于鼓式金属弹簧隔振器的参数取值方法：包括以下步骤：
步骤一，基于三维建模软件(如UG，Solidworks等)，建立隔振器-飞轮等效质量单元系统的三维模型；
步骤二，将鼓式金属弹簧和金属橡胶的关键结构参数进行参数化，金属橡胶的密度转化为材料的弹性模量，将参数化后的模型导入仿真软件(如ansys等)；
步骤三，对隔振器-飞轮等效质量单元系统进行有限元网格划分，按照隔振器-飞轮系统的在轨隔振前六阶模态频率范围要求，对隔振器的关键参数进行循环迭代优化，得到满足频率要求的隔振器结构参数取值。
其中，关键结构参数包括鼓式金属弹簧和金属橡胶的刚度，影响鼓式金属弹簧刚度的主要参数为槽高、片高、外四分之一圆直径、径向厚度；影响金属橡胶的主要参数为金属橡胶半球型外表面的直径、金属橡胶的厚度、金属橡胶的密度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于鼓式金属弹簧隔振器的参数取值方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，基于三维建模软件，建立隔振器-飞轮等效质量单元系统的三维模型；
步骤二，将鼓式金属弹簧和金属橡胶的关键结构参数进行参数化，金属橡胶的密度转化为材料的弹性模量，将参数化后的模型导入仿真软件；
步骤三，对隔振器-飞轮等效质量单元系统进行有限元网格划分，按照隔振器-飞轮系统的在轨隔振前六阶模态频率范围要求，对隔振器的关键参数进行循环迭代优化，得到满足频率要求的隔振器结构参数取值。
2.根据权利要求1所述的一种用于鼓式金属弹簧隔振器的参数取值方法，其特征在于：关键结构参数包括鼓式金属弹簧和金属橡胶的刚度。
3.一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：包括上转接盘(2)、鼓式金属弹簧组件(3)和下转接盘(4)；
所述上转接盘(2)包括安装盘(201)和倾斜外伸板(202)，所述安装盘(201)用于安装在飞轮(1)上，所述倾斜外伸板(202)围绕所述安装盘(201)设置多个，所述倾斜外伸板(202)的一端与所述安装盘(201)固定相连、其另外一端通过鼓式金属弹簧组件(3)与所述下转接盘(4)相连，从而在上、下转接盘之间形成弹性连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述鼓式金属弹簧组件(3)为球体结构，其包括上侧半球部件和下侧半球部件；
所述上侧半球部件包括均为半球空心壳形的上侧金属橡胶(301)和上侧鼓式金属弹簧(304)，所述上侧鼓式金属弹簧(304)套设在所述上侧金属橡胶(301)上，所述下侧半球部件包括下侧金属橡胶(302)和下侧鼓式金属弹簧(303)，所述下侧半球部件与所述上侧半球部件结构相同且对称设置，上、下侧半球部件相对的一侧端面可拆卸连接所述倾斜外伸板(202)，所述下侧半球部件可拆卸连接所述下转接盘(4)。
5.根据权利要求4所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述倾斜外伸板(202)端部固定连接连接盘(203)，所述连接盘(203)的上下两侧均设置有环形槽(206)，上、下侧半球部件的端面别卡接在两个所述环形槽(206)内。
6.根据权利要求5所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述连接盘(203)上固定设置支撑球体(205)，所述环形槽(206)围绕所述支撑球体(205)的外侧周面设置，所述支撑球体(205)分为两个半球部分，两个半球部分分别位于所述连接盘(203)上、下两侧，并且两个半球部分分别卡接在上、下侧金属橡胶的内侧空心部分内。
7.根据权利要求5所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述连接盘(203)与所述下转接盘(4)通过螺栓(305)连接，所述螺栓(305)穿过所述鼓式金属弹簧组件(3)和所述连接盘(203)，所述螺栓(305)位于所述环形槽(206)和所述鼓式金属弹簧组件(3)的轴心上。
8.根据权利要求3-7任意一项所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述鼓式金属弹簧组件(3)至少设置三个，多个所述鼓式金属弹簧组件(3)上的螺栓(305)轴心均匀分布在一锥形周面上。
9.根据权利要求7所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述下转接盘(4)包括固定平台(401)和下侧倾斜板(402)，所述下侧倾斜板(402)与所述倾斜外伸板(202)的数量相同且位置对应，所述下侧倾斜板(402)与所述倾斜外伸板(202)之间设置所述鼓式金属弹簧组件(3)；
所述下侧倾斜板(402)与所述倾斜外伸板(202)均倾斜设置，并且二者垂直设置，所述下侧倾斜板(402)位于所述鼓式金属弹簧组件(3)的底部，所述螺栓(305)与所述倾斜外伸板(202)平行、并与所述下侧倾斜板(402)垂直。
10.根据权利要求9所述的一种用于惯性执行机构的鼓式金属弹簧隔振器，其特征在于：所述固定平台(401)与所述安装盘(201)平行设置。
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