CN1670399A - 可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器 - Google Patents

Abstract

可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，属于超精密加工及测量领域。为了满足适应不同负载和不同环境下隔振的需要，本发明公开了一种可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，所述隔振器具有中空的外壳，内部为圆柱形，所述外壳内固定有隔板，将外壳内部分为上腔室和下腔室，隔板上设有多个轴向通孔，上腔室顶部设有与外壳密封连接的活塞，下腔室底部用底板封死，所述隔板上的轴向通孔共有两排，两排轴向通孔对应地沿圆周均布，在与轴向通孔对应位置处，沿隔板径向方向开有径向深孔，每个径向深孔内装配一个阻尼调节杆，在每个阻尼调节杆上与两个轴向通孔对应位置处各开有一个狭缝。通过本发明，可有效实现隔振器阻尼的调整和隔振器刚度的调节。

Description

可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器

技术领域

本发明涉及一种可以根据负载和实际工作环境调节刚度、阻尼和固有频率的串列双腔室空气弹簧隔振器。该空气弹簧通过调节两腔室之间的狭缝长度，实现阻尼大小的连续可调；通过调节阻尼腔室的高度实现隔振器固有频率和刚度的调节。本发明主要针对超精密试验台、超精密机床和光学平台的隔振要求开发，属于超精密加工及测量领域。

背景技术

在超精密加工、IC制造和光学检测过程中来自外部和内部的振动会影响设备达到其最终性能，所以这些领域内的设备广泛采用各种各样的隔振器来达到隔除振动的目的。其中串列双腔室空气弹簧以其简单可靠、成本低廉和性能优异得到了广泛的应用。它可以和其它主动隔振组成混合型隔振器，也可以单独使用。

串列双腔室空气弹簧是通过空气经过上/下腔室之间的小孔产生阻尼。这类空气弹簧的非线性主要来自于空气的紊流，所以为了使该空气弹簧尽可能减少非线性因素，通常会做如下努力：

1)腔室内光滑且没有阻拦物；

2)小孔结构平滑且厚度小；

3)增加小孔数量，让空气流动近似层流，如提出使用多孔质材料制作隔板，得到层流空气的方法；

4)限制负载的大位移，通常商业双腔室空气弹簧活塞行程为10μm的量级。

随着超精密技术的发展，越来越多设备对隔振系统的固有频率、刚度和阻尼同时提出了高要求。针对地面传递的振动，经典隔振理论是将隔振器的固有频率设计得远低于需要隔振设备第一阶固有频率的0.707以下，使设备各阶频率的振动都得到抑制，现有超精密设备的第一阶固有频率通常在20～80Hz之间，这就要求将隔振器第一阶固有频率设置到非常低的水平，目前世界上最优秀的双腔室空气弹簧的垂直隔振固有频率达到了0.5Hz左右，水平达到了0.3Hz左右的水平，也就是说隔振器会被设计的很软。而针对负载引起的振动则希望隔振器设计的越硬越好，如TMC公司的STATICS2000隔振器中被动隔振部件的固有频率就设定20Hz。对于这种矛盾的需求，就需要根据不同的实际情况，即平衡地面传递振动和负载振动的隔振需求而进行相应的调整，使得隔振器能够同时较好的兼顾对地面振动和负载振动的隔振需要。商业通用隔振器通常是将实际设备进行分类，针对每一类设备是以平均化的负载(包括形状和质量)和平均化振动环境来进行设计，那么实际使用时，进行必要的参数调节会更好地发挥隔振器的性能。

串列双腔室空气弹簧的小孔直径(通常为0.2～0.6mm)和腔室高度是固定的，针对一定的负载和一定的振动环境而言，其提供的刚度是一定的，阻尼变化特性和初始特性就是一定。如果更换负载和放置环境，相应参数W(负载)和ω(扰动频率)就会发生变化，虽然固有频率不会发生变化，但是新系统就会拥有新的刚度K和阻尼C相关特性，而新系统的刚度和阻尼并不一定对新系统是最佳的，比如负载W降低导致刚度下降，对于负载振动的隔振性能就会下降，这就需要根据新的负载和环境调节隔振器的刚度和阻尼参数。所以有必要研发可以调节参数的空气弹簧。

如图1所示，现有普通串列双腔室空气弹簧由两个腔室组成：VS为弹簧腔室(上腔室)，VD为阻尼腔室(下腔室)。其阻尼来自于弹簧腔室和阻尼腔室之间的小孔节流效应，小孔直径通常在0.2～0.6mm之间。该空气弹簧设计依据的理论模型是由J.E.Ruzicka等人于1971年提出的ZENER模型，其刚度定义为：

$K=\frac{\mathrm{\γP}{A}^2}{V},$ 常数γ＝Cp/Cv＝1.4(空气)，P＝压力，A＝腔室有效截面积，V＝容积；

又W＝PA及V＝h，得 $K=\frac{\mathrm{\γW}}{h},$ 其中h为腔室有效总高度；

固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{\mathrm{gK}}{W}}=\sqrt{\frac{\mathrm{g\γ}}{h}};$

可以看出该固有频率在气体有效高度h保持常数是不依赖于系统的负载质量M。

如图2所示，为串列双腔室空气弹簧的简化理论模型。在极低频时，弹簧刚度为NK/(N+1)，同时阻尼C＝∞，极高频时阻尼腔锁闭，弹簧刚度增加到NK同时阻尼C＝0，其中N为刚度系数。其中阻尼C在0～∞之间变化的特性决定于扰动频率ω和小孔直径。该空气弹簧能提供非常低的固有频率。对大多数的加工设备，空气弹簧实现了低频时提供低刚度高阻尼和高频时提供高刚度低阻尼的要求。

现有串列双腔室空气弹簧调节阻尼的方法为通过阀(如针阀)调节。该方式采用了成熟的阀门技术，是一种方便的调节方式。但是仍然存在一定问题，首先隔板上小孔数量多，一个小孔一个阀显然不经济，在文献中记载的方式通常为一个阀控制几个通道(小孔)，这样做一方面增加了腔室内的结构，装配困难同时增加了紊流即增加了非线性的因素，另一方面阀门的成本相对较高。

改变两个腔室中的空气压力P可以达到调节刚度的目的，这种方式简单并且被广泛使用，但是压力的调节受到压缩机等设备的限制，如普通压缩机大体能稳定提供最高8左右大气压的压力，普通通气软管能承受最高6～8大气压的压力，那么就大范围调节刚度不方便。

发明内容

为了满足适应不同负载和不同环境下隔振的需要，本发明提出一种可以大范围连续调节阻尼和刚度的空气弹簧隔振器，以进一步完善双腔室空气弹簧的功能结构。

本发明所述隔振器具有中空的外壳，内部为圆柱形，所述外壳内固定有隔板，将所述外壳内部分为上腔室和下腔室，所述隔板上设有多个轴向通孔，上腔室顶部设有与所述外壳密封连接的活塞，下腔室底部用底板封死，其特征在于：所述隔板上的轴向通孔共有两排，两排轴向通孔对应地沿圆周均布，在与所述轴向通孔对应位置处，沿所述隔板径向方向开有径向深孔，每个径向深孔内装配一个阻尼调节杆，在每个阻尼调节杆上与两个轴向通孔对应位置处各开有一个狭缝。

作为本发明的一种改进，所述下腔室底部还设有能调节下腔室高度的高度调整机构。

本发明为了实现连续调节阻尼的目的，采用了狭缝节流产生阻尼的方式，不同现有的小孔方式。小孔直径是固定的不变的，只有通过辅助设备如阀门才能达到调节的目的，而狭缝通过其长度的变化达到调节阻尼的目的，比小孔显得更为方便和经济。

本发明相比已有的技术具有如下的优点：

第一，本发明通过阻尼腔室容积(高度)的改变，也可结合空气压力的调节，实现了隔振器刚度的调节。

第二，本发明通过阻尼腔室容积(高度)的改变，实现了隔振器固有频率的调节。

第三，本发明通过调节杆的进给运动实现了隔振器阻尼的调整。

第四，本发明所述可变固有频率和阻尼的双腔室空气弹簧隔振装置操作简单，环境适应性强，可适用于其他诸如超精密机床、光学平台等领域。

附图说明

图1为现有双腔室空气弹簧隔振器的原理示意图。

图2为现有双腔室空气弹簧隔振器的理论模型示意图。

图3为本发明的实施例的示意图。

图4为本发明的实施例的剖面示意图。

图5a显示了本发明所述阻尼调节杆的调节方向。

图5b显示了本发明所述阻尼调节秆在第一极限位置。

图5c显示了本发明所述阻尼调节杆在第二极限位置。

图5d为本发明所述阻尼调整杆上加工的槽的示意图。

图5e为本发明所述阻尼调整杆上安装O形圈后的示意图。

图6为本发明所述高度调整机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明。

图3和图4显示了本发明所述的可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器的一个实施例。所述隔振器具有中空的外壳2，外壳的内部为圆柱形，外壳的外部可以是圆柱形或矩形的。外壳2内固定有隔板11，将外壳2内部分为上腔室18和下腔室19，所述隔板11上设有多个轴向通孔13(其直径通常为0.2～0.6mm)。上腔室18顶部通过环状橡胶圈5与活塞7连接，环状橡胶圈5外端放置在外壳2顶部台阶上，上面压上上密封板6，通过螺栓将上密封板6和外壳2紧固，环状橡胶圈5内侧通过紧固环与活塞7外表面紧固，从而保证活塞上下移动时上腔室18的密封。下腔室19底部用底板1封死。在外壳2的中上部连接了为内部上腔室18提供压力空气的上气管8，中下部连接了为内部下腔室19提供压力空气的下气管9。

所述隔板11上的轴向通孔共有两排，两排轴向通孔13对应地沿圆周均布。在本例中，每排圆周均布八个矩形的轴向通孔(10×6mm)，间隔45°。但根据需要，也可调整轴向通孔的数量或变换轴向通孔的形状，如直径10mm以上圆形通孔。

在与轴向通孔13对应位置处，沿隔板11径向方向开有径向深孔21，在本例中，对应轴向通孔的数量和布置方式，径向深孔的数量也为八个，形状为圆形。但根据需要，也可变换径向深孔的形状。

每个径向深孔21内装配一个阻尼调节杆3，在每个阻尼调节杆3上与两个轴向通孔13对应位置处各开有一个狭缝14，如0.15mm宽。狭缝14的长度与轴向通孔13在阻尼调节杆3长度方向上的长度相等。阻尼调节杆3的外侧端头装配锁紧装置4。通过调节阻尼调节杆3插入外壳2的深度可以达到调节隔振器阻尼的目的，每次调整完毕后通过锁紧装置4锁紧。

图5a显示了本发明所述阻尼调节杆的调节方向。调节阻尼时，前后移动阻尼调节杆3，阻尼调节杆3上狭缝14曝露在轴向通孔13中的长度发生变化，从而使隔振器阻尼特性也会发生变化。阻尼调节杆3调节范围为图5b和图5c中所示两个极限位置之间，即狭缝14在轴向通孔13中从无到有。调节阻尼时只需前后移动阻尼调节杆3(手动或者控制伺服都行)，使轴向通孔内阻尼调节杆3上的狭缝长度发生变化，从而达到线性地连续地调节阻尼的目的，同时结构简单便于制造装配。

图5d和图5e显示了阻尼调节杆上的密封结构。为了保证狭缝是上下腔室之间唯一的通道，防止气体通过阻尼调节杆3和径向深孔21之间的空隙流动，并完全隔绝阻尼调节杆3上的两处狭缝，就必须考虑相应的密封结构。在阻尼调节杆两处狭缝的前后位置加工了径向槽25以安装O形橡胶密封圈与径向深孔21形成密封结构，隔绝两处狭缝之间的空气流动；同时在阻尼调节杆3轴向方向上狭缝14位置处加工轴向浅槽22以安装橡胶密封条，防止气体通过阻尼调节杆3和径向深孔21之间的空隙流动。在本例中，为了安装方便和可靠，径向槽25和轴向浅槽22中安装的是一个已经加工/连接在一起的橡胶密封组件23。

所述下腔室19底部还设有能调节下腔室高度的高度调整机构，如图6所示。图6为图4中椭圆线圈出的部分，即高度调整机构的放大示意图。所述高度调整机构包括气密的可上下移动的下腔室下底板12，安装在下腔室下底板12下侧的丝杠螺母机构，以及固定在丝杠端部的，并设在外壳底板1中部通孔中的调节帽10。所述丝杠螺母机构包括固定在下腔室下底板12下部的悬空设置的螺母16，以及与螺母16组成运动副的丝杠15。调节帽10通过轴承22安装在外壳底板1中部的圆形通孔处，这样当隔振器装配后，就可以从外部通过外壳底板1中部的圆形通孔直接旋动调节帽10，实现下腔室下底板12的上下移动，从而使下腔室19的高度发生相应的变化。下腔室下底板12侧面还安装了橡胶密封O形圈17，保证下腔室的密封。

由于隔振器的刚度为：

$K=\frac{\mathrm{\γW}}{h},$ 其中常数γ＝Cp/Cv＝1.4(空气)，W负载重量，h为腔室有效高度；

这样针对一定的负载，隔振器高度h改变会使刚度K数值发生改变。同时隔振器固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{\mathrm{gK}}{W}}=\sqrt{\frac{\mathrm{g\γ}}{h}},$ 其中g为重力加速度；

其数值变化明显地小于刚度数值地变化，所以只要通过适当的调节，就能获得系统满意的支撑刚度和合适的隔振器固有频率。

上述本发明的实施例仅是说明性的，而非限定性的，任何未脱离本发明实质和精神的改进均受本发明权利要求的保护。

Claims (6)

1.可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，所述隔振器具有中空的外壳，内部为圆柱形，所述外壳内固定有隔板，将所述外壳内部分为上腔室和下腔室，所述隔板上设有多个轴向通孔，上腔室顶部设有与所述外壳密封连接的活塞，下腔室底部用底板封死，其特征在于：所述隔板上的轴向通孔共有两排，两排轴向通孔对应地沿圆周均布，在与所述轴向通孔对应位置处，沿所述隔板径向方向开有径向深孔，每个径向深孔内装配一个阻尼调节杆，在每个阻尼调节杆上与两个轴向通孔对应位置处各开有一个狭缝。

2.根据权利要求1所述的可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，其特征在于：所述下腔室底部还设有能调节下腔室高度的高度调整机构。

3.根据权利要求2所述的可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，其特征在于：所述高度调整机构包括气密的可上下移动的下腔室下底板，安装在所述下腔室下底板下侧的丝杠螺母机构，以及固定在丝杠端部的，并设在外壳底板中部通孔中的调节帽。

4.根据权利要求1或2所述的可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，其特征在于：所述狭缝长度与所述轴向通孔在阻尼调节杆长度方向上的长度相等。

5.根据权利要求1或2所述的可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，其特征在于：所述阻尼调节杆上两个狭缝之间装有密封圈，以防止气体流动。

6.根据权利要求1或2所述的可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器，其特征在于：在所述阻尼调节杆轴向方向上装有密封条，以防止气体通过阻尼调节杆和径向深孔之间的空隙流动。

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