CN117028481A - 一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，主要包括准零刚度隔振部分(1)、振动主动控制部分(2)、导向轴(3)和弹簧支承底座(4)，准零刚度隔振部分(1)包括非线性刚度元件支撑弹簧(10)、非线性刚度元件(11)和止动片(12)；振动主动控制部分(2)包括介电弹性体支承弹簧(20)和固定于介电弹性体固定内框架(21)和介电弹性体固定外框架(22)之间的介电弹性体(23)。与现有技术相比，本发明具有能通过正负刚度的组合获得较低固有频率的同时具有较大承载能力；将介电弹性体(23)与线性弹簧组合，应力应变更大；能通过主被动一体化隔离较大带宽的扰动，还能适应不同外激励等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔振器，尤其是涉及一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器。
背景技术
在工程上，机械设备的振动是一个普遍存在且备受关注的问题。这些振动会引起远大于静态工作载荷的较大变形和应力，这将会对机械设备的正常工作使用造成不利影响。例如，航天器在轨工作期间，星上执行元件、可控构件(飞轮、控制力矩陀螺)的步进运动以及大型挠性附件的振颤都会产生扰动，这类振动会影响航天器上精密仪器的正常工作，轻则引起仪器设备测量结果的不准确和性能失效，重则导致仪器结构产生疲劳破坏。为减小这种影响，通常在振源和振动物体之间加入隔振器实现振动的隔离与抑制。传统的线性隔振系统对于10Hz以上的中高频振动可以起到较好的隔离和抑制作用，但对10Hz以下的低频及超低频振动隔振能力较差，已无法满足超高精密仪器设备的正常工作对隔离低频振动的需要。虽然现有的非线性隔振器可以实现平衡位置处的高静态刚度低动态刚度，但关于非线性隔振与主动隔振器一体化的技术方案研究较少。
经过检索，授权公告号CN107654551B公开了一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器，具体公开了：主要包括两个相同的上、下对称布置的高静态-低动态刚度隔振器，两个高静态-低动态刚度隔振器的支撑杆分别通过两个球铰与空间摆机构相连；两个高静态-低动态刚度隔振器分别由提供螺旋弹簧和磁性负刚度机构构成；螺旋弹簧提供沿轴向支撑的正刚度支撑；磁性负刚度弹簧由三块相吸配置的环形永磁体构成，提供竖直方向的非线性恢复力和负刚度特性；通过两个球铰链将高静态-低动态刚度隔振器与空间摆机构进行运动耦合，使得水平方向具有准零刚度特性和几何非线性阻尼，以实现对被隔振物体在三个平移方向上的低频振动进行有效隔离。但该隔振器系统的设计和制造相对复杂，需要使用多种元件和机构，装配难度较高。授权公告号CN108708927B公开了一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器，具体公开了：该隔振器包括多层介电弹性体膜弹簧、多个环形磁铁；多层介电弹性体膜弹簧采用多层介电弹性体膜、多层导电电极相叠加的方式，且相邻导电电极的极性相反；该隔振器利用相互吸引的环形磁铁产生的非线性恢复力以实现非线性负刚度，通过改变施加在多层介电弹性体膜弹簧的导电电极上的驱动电压，使多层介电弹性体膜弹簧所提供与之相匹配的正刚度，正负刚度的组合实现工作位置附近的准零刚度，有效地降低隔振系统的固有频率。但其隔振带宽受到刚度调节范围的限制，在频率变化较大或带宽较广的振动环境下，隔振系统的性能可能不稳定。授权公告号CN213808606U公开了一种带有正负刚度并联机构的准零刚度隔振器，具体公开了：包括隔振质量安装架，隔振质量安装架的顶部固定有质量块，隔振质量安装架的底部通过正刚度弹簧连接有正刚度弹簧安装架。主要通过竖直设置正刚度弹簧和水平设置负刚度弹簧，保证正负刚度弹簧不发生弯曲变形，并联实现零刚度。但当振动幅度较大时，此装置无法提供稳定的隔振效果。授权公告号CN105673769B公开了采用复合介电弹性材料的主被动一体化隔振器及隔振方法，具体公开了：该隔振器包括上下两个端盖，上下两连接件分别与上下两端盖通过螺钉连接固定，经过预拉伸的复合介电弹性薄膜由纤维夹芯介电弹性材料薄膜和单层介电弹性材料薄膜复合而成，在纤维夹芯薄膜驱动区域的上下表面涂敷导电碳膏，把非驱动区域的复合介电弹性薄膜缠绕在上下两端盖间，其导电引线通过双面导电铜箔引出；直线法兰轴承与上部端盖中心套合，中间轴通过间隙配合套入直线法兰轴承内，并与下部端盖通过螺纹连接；内置压缩弹簧的上下两端与上下两个端盖固定。利用复合介电弹性材料和内置压缩弹簧的原理，实现了大变形、高阻尼和主被动一体化隔振控制。但预拉伸的单层介电弹性体产生的应力较小，主动振动抑制效果一般，不能实现较大应力驱动。
综上所述，现有隔振器存在着结构复杂、性能不稳定和承载能力小等一种或多种问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，该隔振器放置于振源之上，包括准零刚度隔振部分、振动主动控制部分、导向轴、弹簧支承底座、上端盖、下端盖、隔振器盖板和隔振器底壳，被隔振物体与上端盖接触，所述准零刚度隔振部分包括套于导向轴上的非线性刚度元件支撑弹簧、穿过导向轴小端的非线性刚度元件和止动片，所述非线性刚度元件支撑弹簧一端与非线性刚度元件接触，另一端固定在弹簧支承底座凹槽中；所述振动主动控制部分包括套于导向轴上的介电弹性体支承弹簧和介电弹性体组件，所述介电弹性体组件包括介电弹性体固定内框架、介电弹性体固定外框架和固定于介电弹性体固定内框架和介电弹性体固定外框架之间的介电弹性体，所述介电弹性体支承弹簧上端固定在上端盖凹槽中，下端固定在弹簧支承底座凹槽中，所述介电弹性体固定内框架固定在上端盖和下端盖外侧的凹槽中。
作为优选的技术方案，所述的非线性刚度元件由大于一个的非线性刚度单元堆叠而成。
作为优选的技术方案，所述的非线性刚度元件为厚度为0.4mm的十字形刚性薄片。
作为优选的技术方案，所述的非线性刚度元件通过第一螺母和止动片固定在上端盖的凹槽中。
作为优选的技术方案，所述的导向轴大端依次穿过弹簧支承底座和隔振器底壳并通过第二螺母与隔振器底壳固连，所述套于导向轴上的非线性刚度元件支撑弹簧位于介电弹性体支承弹簧内侧。
作为优选的技术方案，所述的介电弹性体为大于一层的介电弹性体膜堆叠结构，所述的介电弹性体膜为混合硅胶膜，上面涂覆有第一电极层，下面涂覆有第二电极层。
作为优选的技术方案，所述的第一电极层和第二电极层材料为单壁碳纳米管，所述第一电极层和第二电极层极性相反，相邻介电弹性体膜电极的极性相同并且呈交叉分布。
作为优选的技术方案，所述的介电弹性体在安装时由于介电弹性体支承弹簧产生的预应力而拉伸呈锥形。
作为优选的技术方案，所述的隔振器盖板和隔振器底壳之间形成一个腔体，准零刚度隔振部分和振动主动控制部分放置在腔体内。
作为优选的技术方案，所述的介电弹性体固定外框架、隔振器盖板和隔振器底壳通过第二螺栓和第三螺母固定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明利用特殊形状非线性刚度元件在一定负载下产生的非线性恢复力以实现负刚度，线性弹簧提供正刚度，正负刚度的组合使被动隔振部分在工作位置附近到达准零刚度，实现在平衡位置附近的高静态刚度-低动态刚度，在达到静平衡位置时动刚度为零或准零，从而在获得较低的固有频率的同时具有较大承载能力；
2)本发明将多层堆叠介电弹性体与线性弹簧组合，通过改变施加在导电电极上的驱动电压，使介电弹性体产生形变，在竖直方向上产生致动力，控制驱动电压以实现力的输出；介电弹性体的响应速度在毫秒级，其具有大应力应变的特性适用于各种复杂激励下的振动抑制，同时介电弹性体自身的固有阻尼也能对振动有着很好的抑制作用；
3)本发明振动主动控制部分对低频和较高频扰动的抑制有着很好的效果，非线性被动隔振能有效抑制超低频扰动，且主动隔振失效时被动隔振依旧能发挥作用，主被动一体化不仅能隔离较大带宽的扰动，还能适应不同外激励；
4)本发明介电弹性体为硅胶材质，较于传统丙烯酸基介电弹性体具有更低的黏弹性和更弱的非线性，并且能产生更大的应力应变，不易疲劳，可用于高频驱动；
5)本发明采用介电弹性体膜堆叠结构的介电弹性体与线性弹簧并联使用，相较于单层膜结构的介电弹性体致动器实现了更大的力输出；
6)本发明利用单壁碳纳米管作为堆叠型介电弹性体的柔性电极，单壁碳纳米管具有较高的柔软性，不会对介电弹性体变形产生不利影响，此外当介电弹性体膜被击穿后，单壁碳纳米管可自动降解变为电绝缘体，防止出现因电极短路造成驱动器无法继续工作的问题。
附图说明
图1为本发明基于介电弹性体的主被动一体化隔振器剖视图；
图2为本发明基于介电弹性体的主被动一体化隔振器立体剖视图；
图3为本发明介电弹性体膜第一电极层涂覆示意图；
图4为本发明介电弹性体膜第二电极层涂覆示意图；
图5为本发明非线性刚度单元主视图；
图1中标号所示：
1、准零刚度隔振部分，10、非线性刚度元件支撑弹簧，11、非线性刚度元件，12、止动片，2、振动主动控制部分，20、介电弹性体支承弹簧，21、介电弹性体固定内框架，22、介电弹性体固定外框架，23、介电弹性体，3、导向轴，4、弹簧支承底座，5、上端盖，6、下端盖，7、隔振器盖板，8、隔振器底壳，90、第一螺母，91、第二螺母，92、第三螺母，93、第一螺栓，94、第二螺栓；
图3中标号所示：
230、介电弹性体膜，231、第一电极层；
图4中标号所示：
232、第二电极层。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于介电弹性体23的主被动一体化隔振器，该隔振器不仅能对低频和超低频的扰动有较好的隔离，还能进行振动的主动控制，具有隔振频带宽，承载能力大等优点。
如图1、图2所示，一种基于介电弹性体23的主被动一体化隔振器主要包括准零刚度隔振部分1和振动主动控制部分2，准零刚度隔振部分1包括非线性刚度元件支撑弹簧10、非线性刚度元件11和止动片12，非线性刚度元件11为厚度为0.4mm的十字形刚性薄片，如图4所示为非线性刚度元件11的一种形状构型，非线性刚度元件11由多个(大于一个)非线性刚度单元堆叠而成；振动主动控制部分2包括介电弹性体支承弹簧20、介电弹性体固定内框架21、介电弹性体固定外框架22和介电弹性体23。准零刚度隔振部分1、振动主动控制部分2和导向轴3、弹簧支承底座4、上端盖5、下端盖6、隔振器盖板7、隔振器底壳8、第一螺母90、第二螺母91、第三螺母92、第一螺栓93和第二螺栓94构成本发明中完整的隔振器。使用时，被隔振物体与上端盖5的上部接触，隔振器放置于振源之上。
如图3所示，介电弹性体23为多层介电弹性体膜230堆叠结构，堆叠的多层介电弹性体膜230通过介电弹性体固定内框架21和介电弹性体固定外框架22压紧固定。介电弹性体固定内框架21和介电弹性体固定外框架22的材质均为纤维增强复合材料；介电弹性体膜230为混合硅胶膜，混合硅胶膜较于传统丙烯酸基介电弹性体具有更低的黏弹性和更弱的非线性，并且能产生更大的应力应变，不易疲劳，可用于高频驱动；每层介电弹性体膜230两面各设置有两个环形电极，上表面涂覆的两个环形电极为第一电极层231，极性为正；下表面涂覆的两个环形电极为第二电极层232，极性为负；第一电极层231和第二电极层232材料为单壁碳纳米管，单壁碳纳米管具有较高的柔软性，不会对介电弹性体23变形产生不利影响，当介电弹性体膜230被击穿后，单壁碳纳米管可自动降解变为电绝缘体，防止出现因电极短路造成驱动器无法继续工作的问题；沿单层介电弹性体膜230中线对折得到单个介电弹性体致动器，对折后第一电极层231在外表面，第二电极层232在内表面；多层介电弹性体膜230中相邻的介电弹性体膜230电极的极性相同并且呈交叉分布。介电弹性体23在安装时由于介电弹性体支承弹簧20产生的预应力而拉伸呈锥形。
导向轴3两端均设有螺纹，导向轴3小端依次穿过非线性刚度元件11和止动片12，导向轴3大端依次穿过弹簧支承底座4和隔振器底壳8并通过第二螺母91与隔振器底壳8固连；非线性刚度元件支撑弹簧10和介电弹性体支承弹簧20套于导向轴3上，非线性刚度元件支撑弹簧10位于介电弹性体支承弹簧20内侧。
弹簧支承底座4位于隔振器底壳8的凹槽上，弹簧支承底座4上设有两个凹槽，非线性刚度元件支撑弹簧10一端与非线性刚度元件11接触；另一端固定在弹簧支承底座4内侧的凹槽中，介电弹性体支承弹簧20另一端固定在弹簧支承底座4外侧的凹槽中。
上端盖5和下端盖6通过第一螺栓93连接，中间形成一个腔体结构，导向轴3及套于其上的非线性刚度元件支撑弹簧10和介电弹性体支承弹簧20均位于腔体中。上端盖5上部设有凹槽，非线性刚度元件11放置于上端盖5上部凹槽中，止动片12放置于非线性刚度元件11之上，非线性刚度元件11通过止动片12和第一螺母90固定。上端盖5和下端盖6外侧设有凹槽，介电弹性体固定内框架21固定在上端盖5和下端盖6外侧凹槽中。
介电弹性体固定外框架22位于隔振器盖板7和隔振器底壳8之间，介电弹性体固定外框架22、隔振器盖板7和隔振器底壳8通过第二螺栓94和第三螺母92固定；隔振器盖板7和隔振器底壳8之间形成一个腔体，准零刚度隔振部分1和振动主动控制部分2放置在腔体内。
以下对本发明一种基于介电弹性体23的主被动一体化隔振器的工作原理进行说明：
当隔振器处于无激励状态时，通过第一螺母90将非线性刚度元件11调节到负刚度平衡位置，此时非线性刚度元件11和非线性刚度元件支撑弹簧10、无电压驱动的介电弹性体23以及介电弹性体支承弹簧20一起处于平衡状态；当隔振器底壳8受到外界激励时，非线性刚度元件11会沿竖直方向在平衡位置附近小幅度运动并产生负刚度，与正刚度的非线性刚度元件支撑弹簧10组成准零刚度系统，同时，振动主动控制部分2开始工作，驱动电压加载在介电弹性体23两侧的电极上，电极与导电浆体串联通过导线和外接电源连接，电流由外部导线从介电弹性体膜230表面的正电极流向负电极，使两侧电极带上极性相反的电荷，介电弹性体23在麦克斯韦应力的作用下产生形变，由于介电弹性体23不可压缩，介电弹性体23在垂直于介电弹性体膜230表面的方向上进行收缩，同时沿膜表面水平方向产生拉伸，介电弹性体支承弹簧20释放预应力，带动上端盖5和下端盖6形成的腔体运动产生力和位移，输入的电能转换成机械能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，该隔振器放置于振源之上，其特征在于，包括准零刚度隔振部分(1)、振动主动控制部分(2)、导向轴(3)、弹簧支承底座(4)、上端盖(5)、下端盖(6)、隔振器盖板(7)和隔振器底壳(8)，被隔振物体与上端盖(5)接触，所述准零刚度隔振部分(1)包括套于导向轴(3)上的非线性刚度元件支撑弹簧(10)、穿过导向轴(3)小端的非线性刚度元件(11)和止动片(12)，所述非线性刚度元件支撑弹簧(10)一端与非线性刚度元件(11)接触，另一端固定在弹簧支承底座(4)凹槽中；所述振动主动控制部分(2)包括套于导向轴(3)上的介电弹性体支承弹簧(20)和介电弹性体组件，所述介电弹性体组件包括介电弹性体固定内框架(21)、介电弹性体固定外框架(22)和固定于介电弹性体固定内框架(21)和介电弹性体固定外框架(22)之间的介电弹性体(23)，所述介电弹性体支承弹簧(20)上端固定在上端盖(5)凹槽中，下端固定在弹簧支承底座(4)凹槽中，所述介电弹性体固定内框架(21)固定在上端盖(5)和下端盖(6)外侧的凹槽中。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的非线性刚度元件(11)由大于一个的非线性刚度单元堆叠而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的非线性刚度元件(11)为厚度为0.4mm的十字形刚性薄片。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的非线性刚度元件(11)通过第一螺母(90)和止动片(12)固定在上端盖(5)的凹槽中。
5.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的导向轴(3)大端依次穿过弹簧支承底座(4)和隔振器底壳(8)并通过第二螺母(91)与隔振器底壳(8)固连，所述套于导向轴(3)上的非线性刚度元件支撑弹簧(10)位于介电弹性体支承弹簧(20)内侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的介电弹性体(23)为大于一层的介电弹性体膜(230)堆叠结构，所述的介电弹性体膜(230)为混合硅胶膜，上面涂覆有第一电极层(231)，下面涂覆有第二电极层(232)。
7.根据权利要求6所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的第一电极层(231)和第二电极层(232)材料为单壁碳纳米管，所述第一电极层(231)和第二电极层(232)极性相反，相邻介电弹性体膜(230)电极的极性相同并且呈交叉分布。
8.根据权利要求6所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的介电弹性体(23)在安装时由于介电弹性体支承弹簧(20)产生的预应力而拉伸呈锥形。
9.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的隔振器盖板(7)和隔振器底壳(8)之间形成一个腔体，准零刚度隔振部分(1)和振动主动控制部分(2)放置在腔体内。
10.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器，其特征在于，所述的介电弹性体固定外框架(22)、隔振器盖板(7)和隔振器底壳(8)通过第二螺栓(94)和第三螺母(92)固定。
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| CN202310991815.XA CN117028481A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器 |
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| CN202310991815.XA CN117028481A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器 |
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| CN202310991815.XA Pending CN117028481A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于介电弹性体的主被动一体化隔振器 |
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