一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置

1.本发明涉及减振技术领域，特别是涉及一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置。


背景技术：

2.减振领域中，衡量减振装置性能的重要指标是减振频带和振动衰减率。工程中常用的线性减振装置主要采用参数固定的弹性元件和阻尼元件来完成对被控对象的减振。其中，降低刚度可以降低系统固有频率，扩展减振频带，但是会造成静变形过大，承载能力降低；增加阻尼可以降低固有频率附近的共振峰，但同时会降低高频振动衰减率；且线性减振装置的刚度和阻尼参数一旦确定，其适用范围便固定了，所以只在一定频率范围内有效，环境适应能力弱。
3.随着现代工业中加工和测量精度的不断提高，上述传统减振装置已经不能满足在特定场合下的减振要求，工程中急需开发一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置，使其具有高静态刚度-低动态刚度，大低频阻尼-小高频阻尼的非线性频变特性，以解决承载能力与减振频带之间的矛盾以及高频与低频振动衰减之间的矛盾，实现高性能减振。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置，以解决上述现有技术存在的问题，具有高静态刚度-低动态刚度，大低频阻尼-小高频阻尼的非线性频变特性，可以很好地解决承载能力与减振频带之间的矛盾以及高频与低频振动衰减之间的矛盾，实现高性能减振。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置，包括位于壳体内的磁阻应力负刚度弹簧和位于轴承座内的压电摩擦组件；所述磁阻应力负刚度弹簧和所述压电摩擦组件之间连接有中心轴，所述中心轴外套设有金属螺旋弹簧，所述金属螺旋弹簧底部与位于所述壳体顶部的弹簧基座固定连接，所述金属螺旋弹簧顶部与所述轴承座底部连接；所述中心轴通过金属十字片弹簧与所述壳体内顶部固定连接；所述轴承座顶部固定设置有负载平台。本发明融合了基于新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧与金属十字片弹簧并联实现可调准零刚度和基于系统多参数模型与机械楔形杠杆式压电摩擦组件实现可调频变阻尼的减振技术，可以实现刚度和阻尼可调的目的，降低系统固有频率及共振峰峰值，同时保证高频振动的高衰减性，实现较宽工作频带的高性能减振。新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧利用磁路中磁阻的变化产生maxwell法向磁应力来达到产生负刚度的目的，相较于传统的利用磁体的吸引或排斥来实现负刚度特性，在相同体积下能够提供更大的负刚度。机械楔形杠杆式压电摩擦组件采用楔形块预紧的方式，并利用机械杠杆式行程放大机构对压电陶瓷致动器微位移进行放大，进而驱动放大机构的摩擦面向内夹紧高刚度摩擦件，为系统带来摩擦阻尼，其大小可以通过改变压电陶瓷致动器的驱动电压进行调节。在实际工程应用
中，本发明提供的减振装置可以根据实时工况主动调节减振装置的刚度参数和阻尼参数，通过合理选择的刚度和阻尼参数值，达到最佳的减振效果。
7.可选的，所述壳体包括固定连接的上壳和下壳，所述金属十字片弹簧的外端通过螺栓安装在所述上壳上，所述金属十字片弹簧的内端通过紧固螺母固定在所述中心轴的轴肩上；所述弹簧基座与所述上壳顶部固定连接。
8.可选的，所述磁阻应力负刚度弹簧包括自上至下依次同轴设置的上定子、夹持器和下定子；所述夹持器内侧均匀设置有多个安装槽，所述安装槽内设置有永磁体，所有永磁体的极性径向方向相同；所述上定子、下定子以及夹持器组成的腔体内部同轴设置有动子，所述动子在轴向上分别与所述上定子和下定子具有间隙，所述动子在径向上与所述永磁体之间具有间隙；所述动子通过螺纹固定在所述中心轴上。本发明提供的减振装置中的新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧利用磁路中磁阻的变化产生maxwell法向磁应力来达到产生负刚度的目的，同时具有高磁负刚度、体积小以及重量轻的优点。当动子在平衡位置时，动子与上、下定子之间的气隙相同，磁路中的磁阻相同，作用力为零；当动子因振动而偏离平衡位置后，动子与上、下定子之间的气隙不同，导致上、下磁路中的磁阻不同，进而在动子的上、下表面产生不同的maxwell法向磁应力，且磁力产生的方向与位移偏离的方向相同，表现出负刚度的特性。maxwell法向磁应力的大小与初始间隙、磁场强度和磁路磁导率等关键因素有关，本发明可以通过改变动子与永磁体、上下定子的初始间隙或将永磁体换成电磁线圈并对电磁线圈接通可控电流等手段方便且可控地调节装置中负刚度的大小。
9.可选的，所述压电摩擦组件包括机械杠杆式行程放大机构，所述机械杠杆式行程放大机构包括对称设置的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分之间对称设置有第三部分和第四部分；所述第一部分和第二部分之间通过柔铰连接，所述第二部分和第三部分之间的延展部通过柔铰连接，所述第三部分和第四部分之间通过柔铰连接；所述第一部分和第二部分顶部通过螺栓与所述负载平台固定连接；所述第一部分和第二部分上方通过预紧螺栓连接有预紧弹簧挡板，所述预紧弹簧板底部通过两个预紧弹簧分别连接有两个楔形块，两个所述楔形块之间设置有压电陶瓷致动器，所述压电陶瓷致动器的位移输出端通过固体胶与楔形块固定连接；所述第三部分和第四部分位于所述延展部上方的内侧设置有楔形面，所述楔形块通过远离所述压电陶瓷致动器一端的楔形面与第三部分或第四部分的楔形面接触配合；所述第三部分和第四部分之间设置有高刚度摩擦件，所述高刚度摩擦件位于所述延展部下方，且所述高刚度摩擦件底部通过螺纹孔与中心轴的上端连接。本发明提供的减振装置中的机械楔形杠杆式压电摩擦组件采用楔形块加预紧弹簧的方式进行预紧，并通过外加电场控制压电陶瓷致动器产生微位移，微位移经过机械杠杆式行程放大机构的放大带动另一端两侧的摩擦面向内夹紧高刚度摩擦件；在系统振动时，依靠高刚性摩擦件与机械杠杆式行程放大机构摩擦面之间的相对运动产生摩擦力，进而消耗系统的振动能量，为系统提供摩擦阻尼；通过控制压电陶瓷致动器驱动电压的大小，可以实现摩擦阻尼的主动调节。
10.可选的，所述轴承座底部设置有直线轴承，所述中心轴上方穿过所述直线轴承后与所述压电摩擦组件连接。
11.可选的，所述下壳内通过螺栓固定安装有导板，所述中心轴底部穿设于所述导板内。
12.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
13.本发明所提供的刚度和阻尼可调的新型组合减振装置应用于减振领域，能够根据实时工况主动调节减振装置的刚度参数和阻尼参数，实现高性能减振。具体而言，本发明具有如下技术特点：
14.(1)本发明提供的一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置，将基于新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧与金属十字片弹簧并联实现可调准零刚度和基于系统多参数模型与机械楔形杠杆式压电摩擦组件实现可调频变阻尼的减振技术进行组合，构成一种新型刚度和阻尼可调的减振装置，能够降低系统固有频率及共振峰峰值，同时保证高频振动的高衰减性，实现较宽工作频带的高性能减振。
15.(2)本发明中的新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧利用磁路中磁阻的变化产生maxwell法向磁应力来达到产生负刚度的目的，相较于传统的利用磁体的吸引或排斥来实现负刚度特性，在相同体积下能够提供更大的负刚度。本发明可以通过改变动子与永磁体、上下定子的初始间隙或将永磁体换成电磁线圈并对电磁线圈接通可控电流等手段方便且可控地调节磁负刚度弹簧的负刚度特性。本发明中的磁负刚度弹簧具有结构紧凑，磁负刚度的可调节范围和线性范围大的优点。
16.(3)本发明提供的减振装置的刚度可调特性是通过新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧和金属十字片弹簧并联实现的，磁负刚度弹簧容易失稳，与金属十字片弹簧并联可大大提高减振装置的稳定性；金属十字片弹簧具有轴向刚度低，径向刚度大的特性，可以防止中心轴径向偏移的同时确保中心轴轴向负刚度的输出。
17.(4)本发明中的机械楔形杠杆式压电摩擦组件通过外加电场控制压电陶瓷致动器产生微位移，微位移经过机械杠杆式行程放大机构的放大带动另一端两侧的摩擦面向内夹紧高刚度摩擦件，进而为系统提供摩擦阻尼，且其大小可以通过改变压电陶瓷致动器的驱动电压进行主动调节。本发明中的机械楔形杠杆式压电摩擦组件变更了抱夹方式，由传统的伸长式改成夹紧式，利用机械杠杆式行程放大机构对压电陶瓷致动器的微位移进行放大，弥补了压电陶瓷致动器行程不足的劣势。
18.(5)机械杠杆式行程放大机构利用柔性铰链作为连接点和支点，柔性铰链没有行程间隙和摩擦磨损，具有结构紧凑、摩檫力不易受零件弹性变形影响、微位移能够高效传递以及可以利用力臂尺寸方便调节机械位移/夹持力矩的缩放比例等众多优势。
19.(6)机械楔形杠杆式压电摩擦组件中的压电陶瓷致动器与机械杠杆式行程放大机构之间通过楔形块进行微位移的传递，方便通过调节预紧弹簧挡板与楔形块间的预紧弹簧来调控楔形块与机械杠杆式行程放大机构以及机械杠杆式行程放大机构与高刚度摩擦件之间的预紧力，保证压电陶瓷致动器微位移的传递，且楔形结构能够有效避免磨损造成的夹持松动。
20.(7)本发明提供的减振装置的各减振元件采用多参数模型的布置方式，可调阻尼和可调刚度通过中心轴串联，然后与金属螺旋弹簧并联共同组成减振装置的振动传递路径，并支撑起负载平台；其中可调阻尼由机械楔形杠杆式压电摩擦组件提供，可调刚度由新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧和金属十字片弹簧并联提供；本发明减振装置的原理模型与传统两参数减振装置的原理模型进行等效，本发明减振装置的等效阻尼具有跟随频率变化的特性，即本发明减振装置从系统结构层面同样实现了频变阻尼的效果，可进一步提高
减振装置的阻尼可调节范围，提升减振性能。
21.(8)本发明提供的减振装置实现了刚度和阻尼的可调，实际应用中减振装置可以根据实时工况主动调节减振装置的刚度参数和阻尼参数，通过合理选择的刚度和阻尼参数值，达到最佳的减振效果。
22.(9)本发明提供的减振装置的各减振零部件采用了同轴紧凑安装的方式，以中心轴为基准，整体的安装空间小且周向对称性好，易于集成到减振路径中，实现高性能减振。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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。
24.图1为一种刚度和阻尼可调新型组合减振装置半剖视图；
25.图2为金属十字片弹簧三维结构图；
26.图3为磁应力负刚度弹簧三维结构图；
27.图4为磁应力负刚度弹簧原理图；
28.图5为机械楔形杠杆式压电摩擦组件三维结构图；
29.图6为机械楔形杠杆式压电摩擦组件原理图；
30.图7为本发明减振装置等效模型示意图；
31.图8为传统减振装置和本发明提供减振装置减振效果曲线对比图。
32.附图标记说明：1、负载平台；2、轴承座；3、直线轴承；4、金属螺旋弹簧；5、弹簧基座；6、上壳；7、下壳；8、导板；9、下定子；10、夹持器；11、永磁体；12、动子；13、上定子；14、金属十字片弹簧；15、紧固螺母；16、中心轴；17、机械楔形杠杆式压电摩擦组件；17-1、预紧螺栓；17-2、预紧弹簧挡板；17-3、预紧弹簧；17-4、压电陶瓷致动器；17-5、楔形块；17-6、柔铰；17-7、机械杠杆式行程放大机构；17-8、高刚度摩擦件。
具体实施方式
33.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置，以解决上述现有技术存在的问题，具有高静态刚度-低动态刚度，大低频阻尼-小高频阻尼的非线性频变特性，可以很好地解决承载能力与减振频带之间的矛盾以及高频与低频振动衰减之间的矛盾，实现高性能减振。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.如图1、7所示，本发明提供的一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置，由可调刚度和可调阻尼两部分组件按照多参数系统模型的布置方式组合而成，其中可调刚度部分基
于新型的maxwell磁阻应力负刚度弹簧与金属十字片弹簧14并联实现可调准零刚度，新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧包括上定子13、下定子9、夹持器10、永磁体11和动子12；可调阻尼部分基于系统多参数模型与机械楔形杠杆式压电摩擦组件17实现可调频变阻尼；其余零部件包括负载平台1、轴承座2、直线轴承3、金属螺旋弹簧4、弹簧基座5、上壳6、下壳7、导板8、紧固螺母15以及串联刚度可调与阻尼可调两部分的中心轴16。
37.如图1、2所示，负载平台1通过螺栓与轴承座2连接；金属螺旋弹簧4的下端套在弹簧基座5上进行定位，上端则对轴承座2与负载平台1起支撑作用；金属十字片弹簧14的外端通过螺栓安装在上壳6上，内端则通过紧固螺母15固定在中心轴16的轴肩上，金属十字片弹簧14高径向刚度和低轴向刚度的特点不仅能够防止中心轴16发生径向的偏移，而且不影响轴向负刚度的输出；导板8通过螺栓安装在下壳7上，对中心轴16的轴向运动起导向作用，并防止中心轴16发生径向偏移；直线轴承3安装在轴承座2上，同样对中心轴16的轴向运动起导向定位作用；弹簧基座5通过螺栓与上壳6连接；上壳6与下壳7通过螺栓连接，并对内部的新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧进行压紧固定；整个减振装置围绕中心轴16同轴布置，结构紧凑且周向对称性好。
38.如图1、3所示，本发明提供的减振装置中的新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧包括上定子13、下定子9、夹持器10、永磁体11和动子12。其中所有的永磁体11规格相同，均匀分布固定在环状夹持器10的对应槽内，并且所有永磁体11的极性保持径向方向相同；夹持器10上下分别通过上定子13和下定子9进行限位固定；动子12位于上定子13、下定子9以及夹持器10组成的腔体内部，且同轴布置，轴向上动子12与上定子13、下定子9保持一定的间隙，径向上动子12与永磁体11之间保持一定的间隙；整个新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧位于上壳6与下壳7组成的腔体内部，其中动子12通过螺纹固定在中心轴16上，为系统输出负刚度。新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧利用磁路中磁阻的变化产生maxwell法向磁应力来达到产生负刚度的目的，maxwell法向磁应力的大小与初始间隙、磁场强度和磁路磁导率等关键因素有关。因此，本发明可以通过改变动子与永磁体以及上下定子的初始间隙，或者将永磁体换成电磁线圈并对电磁线圈接通可控电流等手段方便且可控地调节装置中负刚度的大小。
39.如图1、5所示，本发明提供的减振装置中的压电摩擦组件为机械楔形杠杆式压电摩擦组件17，其包括预紧螺栓17-1、预紧弹簧挡板17-2、预紧弹簧17-3、压电陶瓷致动器17-4、楔形块17-5、机械杠杆式行程放大机构17-7、高刚度摩擦件17-8。机械楔形杠杆式压电摩擦组件17中的零部件整体成左右对称布置的形式；压电陶瓷致动器17-4的位移输出端通过专用的固体胶与楔形块17-5固定连接；楔形块17-5则通过楔形面与机械杠杆式行程放大机构17-7上的楔形面接触配合，传递微位移；机械杠杆式行程放大机构17-7可分为4块，由三处柔铰17-6连接，柔铰即柔性铰链，两侧通过螺栓与负载平台1进行固定，中间两块则作为杠杆对压电陶瓷致动器17-4输出的微位移进行放大，进而夹紧另一端的高刚度摩擦块17-8；预紧弹簧17-3位于预紧弹簧挡板17-2和楔形块17-5之间；预紧弹簧挡板17-2通过预紧螺栓17-1与机械杠杆式行程放大机构17-7两侧连接，并挤压预紧弹簧17-3，对机械杠杆式行程放大机构17-7与楔形块17-5以及高刚度摩擦件17-8之间的配合起到预紧的作用；高刚度摩擦件17-8通过螺纹孔与中心轴16的上端连接，在系统振动时，依靠高刚度摩擦件17-8与机械杠杆式行程放大机构17-7之间的相对运动产生摩擦力，进而消耗系统的振动能量，为
系统提供摩擦阻尼；通过控制压电陶瓷致动器17-4驱动电压的大小，可以实现摩擦阻尼的主动调节。
40.以下对本发明中的减振装置的减振原理进行说明：
41.磁负刚度减振装置通常将磁体配置为吸引或排斥的形式来实现负刚度特性，对低频振动进行有效衰减。然而，基于磁体间的吸引力或排斥力的磁负刚度机构所提供的负刚度较低。对于具有高静态支撑刚度的结构，要提供足够的磁负刚度来抵消结构的正刚度，就需要增加磁负刚度机构的体积或质量以实现更高的负刚度，从而导致减振装置的体积和实现难度更大。因此，本发明中的减振装置采用了一种新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧，同时具有高磁负刚度、体积小以及重量轻的优点。与磁极之间的吸引力或排斥力相比，基于maxwell磁阻应力原理的磁负刚度弹簧具有更高的力密度，结构紧凑，并且由于气隙磁阻随动子位移的变化而变化，因此频率响应快。
42.maxwell磁阻应力是磁法向力，力的方向沿气隙的法向方向，力的大小可以如下表示：
[0043][0044]
式中，s为气隙的极面积，μ0为真空磁导率，b为气隙中的磁通密度，随着气隙长度的减小而增大。
[0045]
如图4所示，图中虚线框为磁力线，从永磁体11流向动子12的总磁通分别在上定子13和下定子9中形成了两个磁通环路。忽略漏磁的影响，根据高斯定律和安培环路定律可以计算得到动子12上下表面的气隙磁通密度如下：
[0046][0047][0048]
式中，b1是动子上表面气隙中的磁通密度，b2是动子下表面气隙中的磁通密度，s0是动子在气隙处的极面积，b
pm
是磁体的磁通密度，s
pm
是磁体的等效极面积，x是动子在轴向上偏离平衡位置的位移，x0是气隙的初始厚度，ls是沿磁路方向的定子长度，μ
sr
是定子内部的相对磁导率，lm是沿磁路方向的动子长度，μ
mr
是动子内部的相对磁导率，lg是沿磁路方向的夹持器长度，μ
gr
是夹持器内部的相对磁导率。
[0049]
联立式(1)和(2)，考虑气隙中的磁通密度b1和b2是垂直于动子12上下表面且均匀分布的，则可推导出新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧磁力以及负刚度的表达式分别为：
[0050]
[0051][0052]
如图6所示，本发明减振装置中的机械楔形杠杆式压电摩擦组件17的摩擦阻尼可通过改变压电陶瓷致动器17-4的驱动电压进行调节。压电陶瓷致动器具有体积小、响应速度快、输出力大、不发热等优点。根据压电陶瓷的特性，可得轴向输出力与驱动电压之间的关系式为：
[0053]
n＝γ
×
ka×n×d33
×uꢀꢀꢀ
(4)
[0054]
式中，γ为机械杠杆式行程放大机构行程放大倍数的倒数，ka为压电陶瓷刚度，n为压电陶瓷叠堆数量，d
33
为轴向压电应变常数，u为驱动电压，n为轴向输出力。
[0055]
摩擦阻尼具有非线性的特点，可利用等效线性化方法将干摩擦非粘性阻尼等效为粘性阻尼(等效原则：等效粘性阻尼与非粘性阻尼在一个振动周期内消耗的能量相等)。根据谐波平衡法，当摩擦面间的相对运动为简谐振动时，滑动摩擦力在一个振动周期内消耗的能量为4μdnx，其等效阻尼力消耗的能量为πcωx2。因此，摩擦面间的等效粘性阻尼系数为：
[0056][0057]
式中，ud为摩擦接触面间的滑动摩擦系数，x为简谐振动位移幅值，ω为简谐振动圆频率，c为摩擦阻尼的等效粘性阻尼系数。
[0058]
根据式(4)和(5)可知，机械楔形杠杆式压电摩擦组件17的等效阻尼与压电陶瓷致动器17-4的驱动电压成线性关系。
[0059]
如图7所示，本发明减振装置具有两条振动传递路径，可分别称为主级路径和次级路径；同时，本发明减振装置中的减振元件采用了三参数模型的布置方式。主级路径由金属螺旋弹簧4组成，为系统提供主要的支撑刚度k；次级路径由可调阻尼c和可调刚度k1串联组成，起着主动调节系统刚度和阻尼的作用，其中可调阻尼c由机械楔形杠杆式压电摩擦组件17提供，可调刚度k1由新型maxwell磁阻应力负刚度弹簧和金属十字片弹簧14并联提供。
[0060]
本发明减振装置的振动传递率函数g可推导如下：
[0061][0062]
式中，x0为负载平台的振动位移，x1为基础平台的振动位移，s为拉氏算子。
[0063][0064]
将式(6)与上述传统被动减振装置振动传递率函数式(7)比较可得：
[0065][0066]
由式(8)可知，本发明减振装置的等效阻尼具有跟随频率变化的特性，即减振装置从系统结构层面实现了频变阻尼的效果，可进一步提升装置的减振性能。
[0067]
图8为本发明提供的一种刚度和阻尼可调的新型组合减振装置在刚度调节、阻尼
调节和综合调节情况下的振动传递率曲线图。从图8中实曲线可以看出，传统被动减振装置的振动传递率在共振峰处有较高的峰值，且固有频率较高。从图8中点划曲线可以看出，本发明减振装置采用阻尼调节后系统的绝对阻尼增加，振动传递率的共振峰得到抑制，同时高频衰减率能够保持。从图8中虚曲线可以看出，本发明减振装置采用刚度调节后系统的动态刚度减小，振动传递率的固有频率减小，隔振带宽增加。从图8中的点曲线可以看出，本发明减振装置采用综合调节后系统的绝对阻尼增加，动态刚度减小，同时取得了共振峰抑制和减振带宽增加的效果，大大提升了装置的减振性能。
[0068]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0069]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。