一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器及方法
阅读说明：本技术 一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器及方法 (Torsion quasi-zero stiffness vibration isolator with adjustable balance position and method ) 是由 李学勇 张硕 张春松 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器及方法,包括外壳体,外壳体内设置正刚度元件、负刚度元件、平衡位置调整机构和离合机构；正刚度元件包括半圆件和簧片,半圆件沿轴向设置凸起,两半圆件的凸起之间形成缝隙以供簧片伸入；负刚度元件包括外磁环和内磁环,外磁环和内磁环之间具有气隙,内磁环与平衡位置调整机构连接,平衡位置调整机构可带动内磁环转动以调整内外磁环的平衡位置；平衡位置调整机构与离合机构相连,离合机构中的电磁铁与衔铁可吸合或脱离,吸合时可以实现正负刚度并联,脱离后可以进行平衡位置的调整。本发明能够适应不同大小、正反旋转方向的工作负载,有效提高了隔振器的隔振性能和适用范围。(The invention discloses a torsional quasi-zero stiffness vibration isolator with adjustable balance position and a method thereof, wherein the torsional quasi-zero stiffness vibration isolator comprises an outer shell, wherein a positive stiffness element, a negative stiffness element, a balance position adjusting mechanism and a clutch mechanism are arranged in the outer shell; the positive stiffness element comprises a semicircular piece and a reed, the semicircular piece is provided with a bulge along the axial direction, and a gap is formed between the bulges of the semicircular piece and the bulge of the semicircular piece for the reed to extend into; the negative stiffness element comprises an outer magnetic ring and an inner magnetic ring, an air gap is formed between the outer magnetic ring and the inner magnetic ring, the inner magnetic ring is connected with a balance position adjusting mechanism, and the balance position adjusting mechanism can drive the inner magnetic ring to rotate so as to adjust the balance position of the inner magnetic ring and the balance position of the outer magnetic ring; the balance position adjusting mechanism is connected with the clutch mechanism, an electromagnet in the clutch mechanism and an armature iron can be attracted or separated, positive rigidity and negative rigidity can be connected in parallel when attraction is carried out, and the balance position can be adjusted after separation. The vibration isolator can adapt to the working loads with different sizes and in the positive and negative rotation directions, and effectively improves the vibration isolation performance and the application range of the vibration isolator.)
技术领域
本发明属于扭转振动隔振技术领域，具体涉及一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
旋转机械在各工业领域中均有广泛的应用。作为旋转机械系统一种普遍存在的动力学现象，扭转振动会对机械设备产生干扰，特别是比较敏感的低频振动。加工过程中低频振动的振幅一般很大，不仅会影响加工精度和工作效率，而且会加剧机械设备内部精密零件的磨损，降低其使用寿命，同时，剧烈的振动还会严重危害工人的身体健康，因此抑制或者隔离工作环境中的低频振动显得尤为重要。
隔振技术在处理有害振动问题时通常被优先采用。其中，基于准零刚度原理设计的隔振器，同时具有高静态刚度-低动态刚度的特点，不仅有较高的承载能力，而且能够有效隔离低频振动。目前，准零刚度技术已经应用于隔离低频扭转振动领域。
目前，有相关学者提出扭转准零刚度隔振器，为消除轴系低频扭转振动的隔振器或联轴器，此类方式只对固定的设计负载有较好的低频隔振效果，当负载发生变化时，隔振效果会明显下降。另有一些学者提出隔离扭转振动的准零刚度联轴器，这种方式同样只对固定的设计负载有隔振效果，而且联轴器只能在固定的转向下工作，如果输入反向负载，内、外磁环的磁瓦便会偏离平衡位置，导致系统不能达到准零刚度状态，严重影响隔振效果。还有一些学者提出扭转准零刚度隔振器，这种方式虽然通过调节负刚度在一定程度上提高了隔振效果，但其本质上仍然只对固定的负载起作用，一旦负载变化较大，就会较大地偏离准零刚度状态，进而影响隔振效果。
总而言之，现有的隔振器只能对固定或小变化范围的负载起到隔振作用，在负载发生较大变化时，则无法达到很好的隔振效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器及方法，该隔振器利用簧片弯曲变形产生扭转正刚度和内外磁环产生扭转负刚度，设计平衡位置调整机构和离合机构，灵活调整负刚度元件的平衡位置并实现正负刚度并联，可以保证在不同负载、正反旋转方向下均能达到准零刚度状态，有效提高了隔振器的隔振性能和适用范围。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器，包括外壳体，外壳体内设置正刚度元件、负刚度元件；正刚度元件包括两相对设置的半圆件和两上下设置的簧片，半圆件沿轴向设置凸起，两半圆件的凸起之间形成缝隙以供簧片伸入；负刚度元件包括外磁环和内磁环，外磁环和内磁环之间具有气隙，内磁环与平衡位置调整机构连接，平衡位置调整机构可带动内磁环转动以调整内外磁环的平衡位置。
作为进一步的技术方案，所述平衡位置调整机构包括内壳体，外磁环固定在外壳体内壁，内磁环固定在内壳体外壁，内壳体与动力装置连接，由动力装置带动内壳体转动。
作为进一步的技术方案，所述外壳体一端与输入轴连接，外壳体另一端连接的端盖设置轴孔供输出轴伸出，簧片与输出轴固定连接。
作为进一步的技术方案，所述簧片端部固定于两卡环之间，卡环与输出轴固定连接；输出轴与卡环配合处设置为多边形结构，卡环内壁和输出轴配合处设置为平面。
作为进一步的技术方案，所述平衡位置调整机构与离合机构连接，所述离合机构包括与内壳体端部固接的电磁铁，电磁铁与衔铁可吸合或脱离，吸合时可以实现正负刚度并联，脱离后可以进行平衡位置的调整。
作为进一步的技术方案，所述离合机构还包括花键轴，花键轴端部与花键套通过花键连接，衔铁与花键套固定连接，花键套可沿花键轴轴向移动。
作为进一步的技术方案，所述花键轴与输出轴连接，花键轴与内壳体之间设置轴承；花键轴外周设置挡板，挡板与花键套之间设置弹簧。
作为进一步的技术方案，所述输出轴和端盖还固定设置旋转编码器。
作为进一步的技术方案，所述外磁环和内磁环均包括多个磁瓦，外磁环和内磁环磁瓦的数量相同，外磁环和内磁环的磁瓦一一对应设置，相对应的外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向相反，内外磁环的磁瓦充磁方向都朝向径向，且外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向沿径向交替变化。
本发明的隔振器的工作原理为：
当隔振器未处于工作状态时，簧片没有弯曲变形，不传递扭矩；当隔振器处于稳定工作状态时，簧片与半圆件接触并弯曲变形，从而使输出轴与输入轴(外壳体)产生相对转角θ0，簧片产生扭转正刚度Kr，提供的扭转力矩为Krθ0，此时，外磁环与内磁环的磁瓦处于正对状态，磁弹簧产生的磁力矩为零，但可以产生很大的负刚度Km，通过合理设计半圆件、簧片、外磁环和内磁环的几何参数，可以使磁弹簧产生的负刚度Km与簧片产生的正刚度Kr相互抵消，使隔振器的总刚度近似为零，从而实现对低频扭转振动的有效隔离；而隔振器的工作载荷由簧片提供的扭矩Krθ0决定，故同时具有较高的承载能力。
离合机构中电磁铁的线圈不通电时，电磁铁与衔铁分离，由于第一轴承的存在，内壳体可以相对于花键轴转动；当线圈通电时，电磁铁产生磁场而与衔铁相互吸引，花键套克服弹簧力作用，相对于花键轴产生轴向运动，最终电磁铁与衔铁吸合，内壳体与花键轴保持同步运动。
当隔振器处于稳定工作状态时，簧片产生的扭转正刚度与磁弹簧产生的负刚度相互抵消，使系统的总刚度达到准零状态，有效隔离低频振动。但上述准零刚度状态仅对应于固定的负载扭矩，当系统负载的大小或方向发生变化时，隔振器会偏离平衡位置，隔振效果会明显下降甚至失效。此时，本发明可以通过旋转编码器将输出轴相对于端盖(外壳体)产生的相对角位移转换成相应的电脉冲信号输出，经过控制器，控制电磁铁的线圈断电，电磁铁和衔铁分离；然后控制器向动力装置发送脉冲信号，控制电机轴向相同方向旋转相应的角度，使内磁环与外磁环的磁瓦再次回到正对状态(平衡位置)，这时电磁铁的线圈通电，电磁铁和衔铁相互吸合，内壳体与花键轴保持同步运动，隔振器再次达到准零刚度状态。与调整前的准零刚度状态相比，簧片产生的正刚度与磁弹簧产生的负刚度均不变，但隔振器的平衡位置发生改变，故簧片传递的负载扭矩也与调整前不同，对应变化后的负载。故本装置可以适应不同的负载，同时在系统负载改变后依然能够有效隔离低频扭转振动。
第二方面，本发明实施例还提供了一种如上所述的扭转准零刚度隔振器的工作方法，包括以下步骤：
当隔振器未处于工作状态时，簧片没有弯曲变形，不传递扭矩；
当隔振器处于稳定工作状态时，簧片与半圆件接触并弯曲变形，簧片产生扭转正刚度与内外磁环产生的负刚度相互抵消，隔振器达到准零刚度状态，实现对低频扭转振动的有效隔离；
当负载的大小或方向发生变化时，隔振器偏离平衡位置，通过平衡位置调整机构带动内磁环转动，使内外磁环到达下一平衡位置，隔振器再次达到准零刚度状态，在负载改变后仍有效隔离低频扭转振动。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明的隔振器，其簧片弯曲变形可以产生扭转正刚度，内外磁环可产生负刚度，平衡位置调整机构可以调整负刚度元件的平衡位置，从而保证在不同负载、正反旋转方向下均能达到准零刚度状态，在工作位置附近具有高静态刚度和低动态刚度，既能有效传递扭矩，又能较好隔离低频扭转振动，拓宽隔振频带。
本发明隔振器，在负载变化时通过平衡位置调整机构带动内磁环转动来调整负刚度元件的平衡位置，通过离合机构中电磁铁线圈通电使内壳体和输出轴合为一体来实现正负刚度并联，从而实现准零刚度，结构紧凑，控制简单。
本发明的隔振器，开始工作或负载扭矩变化时，输出轴与壳体发生相对转动引起内、外磁环的磁瓦偏离，此时通过动力装置带动内壳体相对于输出轴转动，可使内外磁环的磁瓦再次正对，工作状态不受负载转向的限制，调整灵活。本发明能够适应不同大小、正反旋转方向的工作负载，有效提高了隔振器的隔振性能和适用范围。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的隔振器示意图；
图2是图1中A-A剖视图；
图3是输出轴与正刚度元件等配合示意图；
图4是负刚度元件示意图；
图5是平衡位置调整机构示意图；
图6是离合机构的局部放大图；
图7是旋转编码器的安装示意图；
图8(a)是达到平衡位置时簧片与磁弹簧的状态示意图；
图8(b)是偏离平衡位置时簧片与磁弹簧的状态示意图；
图9是簧片与磁弹簧的扭转力矩-扭转角关系曲线图；
图10是本发明隔振器的总刚度-扭转角关系曲线图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
1左壳体，2右壳体，3端盖，4输出轴，5半圆件，5-1凸起，6簧片，7卡环，8外磁环，9内磁环，10内壳体，11花键轴，12第一轴承，13动力装置，13-1步进电机，13-2行星减速器，14第一挡圈，15定位圈，16电磁铁，16-1磁轭，16-2线圈，17衔铁，18花键套，19挡板，20弹簧，21旋转编码器，21-1读数头线路板，21-2码盘，22第二轴承，23第二挡圈。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。
术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器及方法，能够适应不同大小、方向的工作负载，且具有良好的低频隔振性能。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种平衡位置可调的扭转准零刚度隔振器，包括左壳体1、右壳体2以及壳体内部的正刚度元件、负刚度元件、平衡位置调整机构和离合机构。
其中，左壳体和右壳体连接形成外壳体；左壳体1一侧设置有轴孔和键槽，与输入轴相连接；右壳体2一侧连接端盖3，端盖3中间设置轴孔，输出轴4从外壳体内部伸出，输出轴4的伸出端设置有键槽；左壳体1和右壳体2通过螺栓和螺母固连，右壳体2和端盖3通过螺钉固连。
正刚度元件设置于右壳体内。如图2所示，正刚度元件包括半圆件5和簧片6。半圆件设置两个，两个半圆件5均通过螺钉固连于右壳体2内部，半圆件沿轴向水平设置有半圆柱状凸起5-1，两个正对半圆件5的凸起5-1之间形成狭小缝隙，供簧片6伸入。
半圆件为半圆环状结构，两个半圆件相对设置，凸起设置于两半圆件的相对位置处。
如图3所示，上下两片簧片6安装于左右两个半圆形卡环7之间，两卡环7通过螺栓和螺母固定在输出轴4上；输出轴与卡环配合处设置为多边形结构，卡环7内壁与输出轴4表面均设有部分平面，通过成形联接保证簧片6与输出轴4之间没有相对运动。
负刚度元件设置于左壳体内。如图4所示，负刚度元件包括外磁环8和内磁环9。在外磁环8和内磁环9中间有一定气隙，外磁环8和内磁环9构成磁弹簧；外磁环8固定在左壳体1内壁，内磁环9固定在内壳体10外壁，内壳体设置于左壳体内，且内壳体与左壳体同轴设置。
进一步的方案中，外磁环8和内磁环9均由若干磁瓦组合而成，外磁环8和内磁环9磁瓦的数量相同，均为2N，N为整数并根据需要设计。外磁环和内磁环的磁瓦一一对应设置，相对应的外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向相反，内外磁环的磁瓦充磁方向都朝向径向，且外磁环和内磁环的磁瓦的充磁方向沿径向交替变化，即相邻外磁环的磁瓦充磁方向相反，相邻内磁环的磁瓦充磁方向相反。
进一步的方案中，外磁环8的磁瓦在圆周方向的角宽度稍大于内磁环9的磁瓦。
如图5所示，平衡位置调整机构包括内壳体10、第一轴承12、动力装置13、第一挡圈14以及定位圈15。其中第一轴承12的内圈与花键轴11配合，外圈与内壳体10配合；动力装置13由步进电机13-1和行星减速器13-2组成，通过螺栓和螺母固定于花键轴11左侧的轴端，电机轴与内壳体10通过键联接保持同步转动；第一挡圈14安装在花键轴11上，内壳体10的内部右侧设置有定位圈15，第一挡圈14与定位圈15实现对第一轴承的轴向定位，保证内壳体10与花键轴11只能相对转动，不能在轴向相对移动。
如图6和图7所示，离合机构包括花键轴11、电磁铁16、衔铁17、花键套18、挡板19、弹簧20以及旋转编码器21。其中花键轴11与输出轴4通过螺纹联接并同步运动；电磁铁16由磁轭16-1和线圈16-2组成，电磁铁16固定于内壳体10右端；电磁铁与衔铁可吸合或脱离，衔铁17固定在花键套18上，花键轴11与花键套18通过花键联接，保证花键套18只能相对于花键轴11轴向运动，不能相对转动；圆环状的挡板19套在花键轴11上并紧贴第一挡圈14，弹簧20沿轴向安装于挡板19和花键套18之间；旋转编码器21由读数头线路板21-1和码盘21-2组成，读数头线路板21-1固定在端盖3上，码盘21-2固定在输出轴4上。第二轴承22的内圈与输出轴4配合，外圈和右壳体2内壁配合，限制输出轴4相对于壳体的径向运动；第二挡圈23安装在输出轴4上，配合端盖3对第二轴承22进行轴向定位，限制输出轴4相对于壳体的轴向运动。
在可选的实施方式中，簧片6采用弹簧钢材料，如在本实施例中，采用65钢材料。
在可选的实施方式中，外磁环8和内磁环9的磁瓦采用钕铁硼材料。
在可选的实施方式中，衔铁17采用磁导率较高的软磁材料，如在本实施例中，采用硅钢材料。
在优选的实施方案中，左壳体1、右壳体2、端盖3、输出轴4、半圆件5、卡环7、内壳体10、花键轴11、定位圈15以及花键套18采用硬铝合金材料。
本发明隔振器的工作原理及控制方法如下：
根据正负刚度并联实现准零刚度低频隔振的原理，在任何负载扭矩下，如图8(a)所示，正刚度元件的簧片6与凸起5-1接触产生弯曲变形后，负刚度元件的外磁环8磁瓦中心和内磁环9的磁瓦中心处于正对状态(平衡位置)，系统的准零刚度状态和隔振效果才最为理想。
但是，当负载变化后，如图8(b)所示，簧片6会继续弯曲变形，与花键轴11合为一体的内壳体10相对于外壳体转动，此时内磁环9与外磁环8便偏离平衡位置，致使准零刚度效果严重降低，不能达到低频隔振的目的。而现有的隔振结构，很少考虑负载变化引起的平衡位置偏离问题，使隔振器仅对固定负载或小变化范围负载有较好的隔振性能，当负载变化较大或转动方向反向时，隔振性能严重降低甚至失效，影响了隔振器的适用范围。
采用本发明的隔振器，当由于负载变化使内磁环9与外磁环8的磁瓦偏移时，首先通过旋转编码器21检测到输出轴4相对于外壳体的相对角位移(也即内磁环9相对于外磁环8的偏转角度)，然后控制线圈16-2断电使离合机构脱开，再控制动力装置13带动内壳体10相对于花键轴11转动，当转到内磁环9和外磁环8的磁瓦对正的位置(平衡位置)时，控制线圈16-2通电使离合机构吸合，此时固定于输出轴4的簧片6与固定在内壳体10的内磁环9合为一体，簧片6产生的正刚度Kr与磁弹簧产生的负刚度Km相互抵消，使系统达到准零刚度状态，隔振器对低频扭转振动进行有效隔离。
离合机构的工作原理如下：如图6所示，当线圈16-2不通电时，弹簧20压迫花键套18紧贴簧片6右端面，电磁铁16和衔铁17分开一段微小距离δ，离合机构脱开。当线圈16-2通电时，产生的磁场使电磁铁16和衔铁17相互吸引，花键套18克服弹簧力沿花键轴11向左移动，最终电磁铁16和衔铁17接触并同步运动，离合机构吸合，由于固定衔铁17的花键套18与花键轴11不能相对转动，故内壳体10与花键轴11合为一体。
下面以隔振器的工作负载增大为例，说明本发明的平衡位置调整原理。
在隔振器处于稳定工作状态时，线圈16-2通电，内壳体10和花键轴11合为一体，此时的负载扭矩为Krθ0；当系统的负载发生变化时，输出轴4和外壳体产生新的相对角位移Δθ，输出轴4相对于初始状态(未工作时)产生相对角位移θ1(θ1＝θ0+Δθ，θ1＞θ0)；如图8(b)所示，内磁环9和外磁环8的磁瓦同样产生新的相对角位移Δθ，磁弹簧变为偏离状态，使隔振器偏离平衡位置而无法达到最佳工作状态。
本发明的隔振器通过旋转编码器21将输出轴4相对于端盖3产生的角位移Δθ转换成相应的电脉冲信号输出，电脉冲信号经过控制器，控制线圈16-2断电，离合机构脱开，内壳体10和花键轴11分离；此时控制器向动力装置13发送脉冲信号，使电机轴带动内壳体10向相同方向旋转角度Δθ，内磁环9和外磁环8的磁瓦再次回到正对状态；当动力装置13停止工作时，控制线圈16-2通电，离合机构吸合，内壳体10和花键轴11再次合为一体，内磁环9和外磁环8稳定保持正对状态。
簧片6产生的正刚度与其有效作用长度(受弯长度)有关，因与簧片6接触的半圆件凸起5-1在轴向为水平布置，故在负载变化后，簧片6的有效作用长度不变，系统的正刚度也不变，仍然为Kr。磁弹簧产生的负刚度与外磁环8和内磁环9在轴向的重合长度(气隙的轴向长度)有关，而在调整内磁环9相对于外磁环8位置的过程中，外磁环8和内磁环9在轴向的重合长度不变；故当外磁环8和内磁环9的磁瓦再次正对时，磁弹簧产生的负刚度也不变，仍然为Km。簧片6产生的正刚度Kr与磁弹簧产生的Km相互抵消，系统再次达到准零刚度状态。
簧片6与磁弹簧的扭转力矩-扭转角关系曲线如图9所示，可以看出，在调整前后，簧片6与磁弹簧对应曲线的形状均未改变，但磁弹簧对应的曲线向右移动，调整后系统传递的扭矩为Krθ1(Krθ1＞Krθ0)。隔振器的总刚度-扭转角关系曲线如图10所示，可以看出，调整前后曲线的形状并未改变，但系统的平衡位置发生改变，调整前系统的平衡位置在θ0处，调整后平衡位置在θ1处。故本发明隔振器可以在系统负载发生变化后，通过调整平衡位置实现准零刚度，在不同的负载扭矩下对低频扭转振动进行有效的隔离。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：车辆用减振器及车辆