CN117646774A - 一种卡扣式可调控力学超结构隔振器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种卡扣式可调控力学超结构隔振器及设计方法，隔振器包括底盘、限位杆和若干隔振单胞；隔振单胞包括基体、梁振子和弹性连接件；底盘固定连接在限位杆的一端；若干隔振单胞均通过基体套在限位杆上；相邻隔振单胞的基体之间，通过弹性连接件连接，最下方隔振单胞的基体通过弹性连接件连接底盘；基体侧面开有若干用于安装附加质量块的螺纹孔，以及用于安装梁振子的连接孔，梁振子远端开有用于安装附加质量块的螺纹孔；根据隔振设计要求，在基体侧面相应位置安装附加质量块和梁振子，并在相应的梁振子远端安装附加质量块。本发明结构造价低廉，原理结构相对以往的控制手段更为简单，高效。

Description

一种卡扣式可调控力学超结构隔振器及设计方法

技术领域

本发明涉及动力学隔振机械设计领域，具体涉及一种卡扣式可调控力学超结构隔振器及设计方法。

背景技术

在动力学隔振领域中，对于不同被隔振物的隔振要求，不仅需要其满足隔振器设计尺寸的要求，同时对其振动传递率也有较高的要求。隔振效果较差的隔振系统，轻者会对被隔振物产生较大的振幅以及力响应，严重会产生振动破坏甚至导致被隔振物失效。尤其对于一些隔振要求较高的隔振工况，不仅需要其要有较宽的隔振频段，还需要在对应的频段有较好的隔振效率。采取合理高效的隔振机理以及进行灵活性的隔振设计已然成为航空航天，汽车船舶，机械加工等行业所广泛关注的重点内容。基于上述背景，急需一种既能满足多频带，同时可实现较好的振动抑制效果的隔振装置，进而可以满足日益复杂振动环境的隔振需求。

在隔振器设计领域中，具有稳定高效特性，且能够智能调整的隔振调控装置有着广泛的应用前景，利用良好高效的隔振调控装置能够有效保证隔振器平稳有效运行。在现有的隔振器设计方案中，成熟且可靠的控制手段还相对较少。有的方案是通过更换阻尼器或者主动控制方式来实现隔振控制，还有方案直接通过增减隔振器的方式来实现对于不同被隔振物的隔振设计，但这些方案均存在着较大的问题：

首先在通过主动控制实现隔振控制的方案中，相关配套的设备较为庞杂，装置复杂且效率较差、附属控制系统设计成本高；其次对于通过更换阻尼器或增减隔振器实现隔振控制的方案，其在工程应用上，存在灵活性较差、使用效率低、适应状况差等问题，而且在更换阻尼器或增减隔振器时，对操作空间要求高，在航空航天等特定领域中，往往难以满足空间要求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种卡扣式可调控力学超结构隔振器及设计方法，该装置具有造价低廉，原理结构简单，对环境要求低，控制效果好等优点。

本发明的技术方案为：

一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，包括底盘、限位杆和若干隔振单胞；

所述隔振单胞包括基体、梁振子和弹性连接件；

所述底盘固定连接在限位杆的一端；若干隔振单胞均通过基体套在限位杆上，且限位杆顶部不突出于最上方隔振单胞基体顶面；相邻隔振单胞的基体之间，通过弹性连接件连接，最下方隔振单胞的基体通过弹性连接件连接底盘；

底盘、限位杆和若干隔振单胞装配成力学超结构隔振器后被安装于被隔振物与振动源之间，其中底盘固定在振动源上，最上方隔振单胞的基体顶面与被隔振物固定连接；

所述基体侧面开有若干用于安装附加质量块的螺纹孔，以及用于安装梁振子的连接孔，所述梁振子远端开有用于安装附加质量块的螺纹孔；根据隔振设计要求，在基体侧面相应位置安装附加质量块和梁振子，并在相应的梁振子远端安装附加质量块；

所述基体一端面具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头，另一端面具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头或用于与被隔振物连接的安装孔；所述底盘具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头；弹性连接件与基体，以及弹性连接件与底盘，均通过卡扣实现便捷连接。

进一步的，所述基体采用正八边形结构，其中一组十字分布的四个侧面布置安装梁振子的连接孔，另一组十字分布的四个侧面布置用于安装附加质量块的螺纹孔。

进一步的，在基体侧面通过安装梁振子的连接孔固定有内空插头，悬臂梁内端采用卡销形式，能够插入基体侧面固定的内空插头中，实现卡扣连接。

进一步的，所述弹性连接件采用“几”字型结构，在所述弹性连接件两端固定有卡销。

进一步的，所述基体中部开有方孔，所述限位杆采用方杆，方杆侧面上固定有弧面片；限位杆与基体中部方孔的尺寸设计为间隙配合设计，且当弧面片与方孔内壁接触时，为线接触。

进一步的，所述限位杆底部通过加强筋配合与底盘固定连接。

上述隔振器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据隔振器的纵向许可安装空间尺寸，以及隔振单胞纵向尺寸和底盘厚度，确定隔振单胞个数；并根据隔振器的横向许可安装空间尺寸，确定隔振单胞梁振子长度；

步骤2：根据要求的隔振频段和步骤1确定的隔振单胞个数N，将要求的隔振频段分割为N个子频段；

步骤3：对于每个子频段，分别进行对应的隔振单胞设计，确定隔振单胞的基体等效质量和梁振子等效质量；

步骤4：将步骤3设计的N个隔振单胞组装成隔振器，建立隔振器模型，对隔振器模型进行优化设计，得到最终的隔振器；其中优化参数为基体等效质量和梁振子等效质量，优化目标为振动传递率；而基体等效质量和梁振子等效质量通过其上安装的附加质量块实现调整。

进一步的，计算优化目标的过程为：对隔振器模型进行能带结构与振动特性分析，得到隔振器模型的带隙特性和频响曲线；再依据带隙特性和频响曲线计算在要求的隔振频段内的振动传递率。

进一步的，优化目标为振动传递率达到至少80％的隔振效率。

有益效果

本发明所设计的卡扣式可调控力学超结构隔振器可有效实现较宽隔振频段和较低的振动传递率，其结构造价低廉，原理结构相对以往的控制手段更为简单，高效。该类隔振装置可以满足被隔振物的多样化隔振需求，该类隔振装置可实现高效率的装配过程，并取得良好效果好的特点。本发明通过局域共振机理进行隔振器的快速设计与调控，而实现隔振系统的有效振动抑制，在保证产品较好的隔振频段控制性的同时，也增强了系统机械装配性，按照隔振系统的需求实现快速装配，进而降低了产品成本，对于后续的相关智能化隔振器设计有重要影响。本发明的隔振设计方法可有效实现隔振器设计向更加智能化方向拓展，其结构具有造价低廉且适用面广的特点，通过该装置了有效地降低卡扣调控的控制成本，进而提高隔振器的隔振效率，有助于各类工况的振动抑制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本隔振装置的三维视图Ⅰ。

图2为本隔振装置的三维视图Ⅱ。

图3为本隔振装置单胞的三维视图。

图4为本隔振装置单胞俯视图。

图5为本隔振装置单胞与限位杆和底盘的装配体视图。

图6为本隔振装置设计方法图。

图7为弹性连接件的三维视图。

图8为基体的三维视图。

其中：1、基体；2、梁振子；3、弹性连接件；4、限位杆；5、底盘；

1-1、基体块；1-2、第一螺栓；1-3、第一附加质量块；

2-1、内空插头；2-2、悬臂梁；2-3、第二螺栓；2-4、第二附加质量块；

3-1、弹性件；3-2、卡扣；3-3、卡销；

4-1、限位方杆；4-2、弧面片；4-3、加强筋。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，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。

本发明提出一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，通过系统的局域共振而实现整个隔振器的轴向隔振作用，按照被隔振物的隔振尺寸要求，确定超结构的单胞个数，而后通过调控振子以及基体的附加质量，实现预设隔振的振动传递率需求。

如图所示，本实施例中的卡扣式可调控力学超结构隔振器，包括底盘、限位杆和若干隔振单胞。

所述隔振单胞包括基体、梁振子和弹性连接件。

所述底盘固定连接在限位杆的一端；若干隔振单胞均通过基体套在限位杆上，且限位杆顶部不突出于最上方隔振单胞基体顶面；相邻隔振单胞的基体之间，通过弹性连接件连接，最下方隔振单胞的基体通过弹性连接件连接底盘。

底盘、限位杆和若干隔振单胞装配成力学超结构隔振器后被安装于被隔振物与振动源之间，其中底盘固定在振动源上，最上方隔振单胞的基体顶面与被隔振物固定连接。

所述基体侧面开有若干用于安装附加质量块的螺纹孔，以及用于安装梁振子的连接孔，所述梁振子远端开有用于安装附加质量块的螺纹孔；根据隔振设计要求，在基体侧面相应位置安装附加质量块和梁振子，并在相应的梁振子远端安装附加质量块。

所述基体一端面具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头，另一端面具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头或用于与被隔振物连接的安装孔；所述底盘具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头；弹性连接件与基体，以及弹性连接件与底盘，均通过卡扣实现便捷连接。

本实施例中，所述基体采用正八边形结构，其中一组十字分布的四个侧面布置安装梁振子的连接孔，另一组十字分布的四个侧面布置用于安装附加质量块的螺纹孔。其中通过安装梁振子的连接孔，在基体侧面固定有内空插头，悬臂梁内端采用卡销形式，能够快速便捷插入基体侧面固定的内空插头中，实现卡扣连接。而基体侧面用于安装附加质量块的螺纹孔中通过第一螺栓固定有第一附加质量块，从而能够方便的调节基体的等效质量。而在悬臂梁外端也开有螺纹孔，能够根据设计要求通过第二螺栓固定有第二附加质量块，从而方便的调整梁振子的等效质量。

本实施例中，所述弹性连接件采用“几”字型结构，在所述弹性连接件两端固定有卡销，弹性连接件上的卡销能够基体端面以及底盘上的卡扣插头中，实现快速连接。

所述基体中部开有方孔，用于将基体安装在限位杆上，并能够相对限位杆轴向滑动。所述限位杆采用方杆，限位杆与基体中部方孔的尺寸设计为间隙配合设计，为了降低摩擦，在方杆侧面上固定有弧面片，且当弧面片与方孔内壁接触时为线接触，从而能够降低摩擦。限位杆一端加工有加强筋，并通过加强筋配合与底盘固定连接。

基于上述结构，根据实际被隔振物及其安装环境，下面给出卡扣式可调控力学超结构隔振器的设计方法，以确定单胞数量和各单胞参数，以满足宽隔振频段要求。具体步骤如下：

步骤1：确定隔振单胞个数和尺寸。

由于隔振器的安装环境有限，而要求的隔振频段又较宽，为了能够在有限的空间环境下实现宽频段隔振，首先要根据空间环境尺寸约束，确定隔振单胞个数和尺寸。

根据上述隔振器的结构可知，隔振器由多个单胞纵向排列并通过卡扣连接，整体安装在底盘上，所以隔振器纵向尺寸就是多个单胞的纵向尺寸叠加上底盘厚度，因此根据隔振器的纵向许可安装空间尺寸，以及隔振单胞纵向尺寸和底盘厚度，即可确定隔振单胞个数N。而隔振器的横向尺寸主要考虑梁振子的长度，因此根据隔振器的横向许可安装空间尺寸，确定隔振单胞梁振子长度。

步骤2：根据要求的隔振频段和步骤1确定的隔振单胞个数N，将要求的隔振频段分割为N个子频段；这样每个子频段对应一个隔振单胞。

步骤3：对于每个子频段，分别进行对应的隔振单胞设计，确定隔振单胞的基体等效质量和梁振子等效质量；这里得到的基体等效质量和梁振子等效质量，作为后续隔振器整体设计时，各隔振单胞的初始参数。

在进行隔振单胞设计时，隔振单胞的纵向尺寸和梁振子的长度不变，而是通过改变其上安装的附加质量块实现调整基体等效质量和梁振子等效质量。

步骤4：将步骤3设计的N个隔振单胞组装成隔振器，建立隔振器模型，对隔振器模型进行优化设计，得到最终的隔振器；其中优化参数为各个隔振单胞的基体等效质量和梁振子等效质量，优化目标为振动传递率；而基体等效质量和梁振子等效质量通过其上安装的附加质量块实现调整。

其中的计算优化目标的过程为：对隔振器模型进行能带结构与振动特性分析，得到隔振器模型的带隙特性和频响曲线；再依据带隙特性和频响曲线计算在要求的隔振频段内的振动传递率。且要求振动传递率达到至少80％的隔振效率。若达到则实现了该力学超结构隔振器的设计要求，整个隔振器设计完成；若没有达到，我们重新调整单胞设计中振子和基体的附加质量，直到达到为止。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，其特征在于：包括底盘、限位杆和若干隔振单胞；

所述隔振单胞包括基体、梁振子和弹性连接件；

所述底盘固定连接在限位杆的一端；若干隔振单胞均通过基体套在限位杆上，且限位杆顶部不突出于最上方隔振单胞基体顶面；相邻隔振单胞的基体之间，通过弹性连接件连接，最下方隔振单胞的基体通过弹性连接件连接底盘；

底盘、限位杆和若干隔振单胞装配成力学超结构隔振器后被安装于被隔振物与振动源之间，其中底盘固定在振动源上，最上方隔振单胞的基体顶面与被隔振物固定连接；

所述基体侧面开有若干用于安装附加质量块的螺纹孔，以及用于安装梁振子的连接孔，所述梁振子远端开有用于安装附加质量块的螺纹孔；根据隔振设计要求，在基体侧面相应位置安装附加质量块和梁振子，并在相应的梁振子远端安装附加质量块；

所述基体一端面具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头，另一端面具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头或用于与被隔振物连接的安装孔；所述底盘具有用于与弹性连接件连接的卡扣插头；弹性连接件与基体，以及弹性连接件与底盘，均通过卡扣实现便捷连接。

2.根据权利要求1所述一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，其特征在于：所述基体采用正八边形结构，其中一组十字分布的四个侧面布置安装梁振子的连接孔，另一组十字分布的四个侧面布置用于安装附加质量块的螺纹孔。

3.根据权利要求1所述一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，其特征在于：在基体侧面通过安装梁振子的连接孔固定有内空插头，悬臂梁内端采用卡销形式，能够插入基体侧面固定的内空插头中，实现卡扣连接。

4.根据权利要求1所述一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，其特征在于：所述弹性连接件采用“几”字型结构，在所述弹性连接件两端固定有卡销。

5.根据权利要求1所述一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，其特征在于：所述基体中部开有方孔，所述限位杆采用方杆，方杆侧面上固定有弧面片；限位杆与基体中部方孔的尺寸设计为间隙配合设计，且当弧面片与方孔内壁接触时，为线接触。

6.根据权利要求1所述一种卡扣式可调控力学超结构隔振器，其特征在于：所述限位杆底部通过加强筋配合与底盘固定连接。

7.一种权利要求1所述隔振器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据隔振器的纵向许可安装空间尺寸，以及隔振单胞纵向尺寸和底盘厚度，确定隔振单胞个数；并根据隔振器的横向许可安装空间尺寸，确定隔振单胞梁振子长度；

步骤2：根据要求的隔振频段和步骤1确定的隔振单胞个数N，将要求的隔振频段分割为N个子频段；

步骤3：对于每个子频段，分别进行对应的隔振单胞设计，确定隔振单胞的基体等效质量和梁振子等效质量；

步骤4：将步骤3设计的N个隔振单胞组装成隔振器，建立隔振器模型，对隔振器模型进行优化设计，得到最终的隔振器；其中优化参数为基体等效质量和梁振子等效质量，优化目标为振动传递率；而基体等效质量和梁振子等效质量通过其上安装的附加质量块实现调整。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于：计算优化目标的过程为：对隔振器模型进行能带结构与振动特性分析，得到隔振器模型的带隙特性和频响曲线；再依据带隙特性和频响曲线计算在要求的隔振频段内的振动传递率。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于：优化目标为振动传递率达到至少80％的隔振效率。