专利名称：一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及减振和隔振技术领域，具体讲的是一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统。
背景技术：
隔振是机械工程中的一个经典问题。许多机械都需要隔振系统，常见的例子包括汽车、火车、重型机械、飞机着陆装置、太空登陆车等等。隔振的目的是减小外部扰动向系统敏感部分的传递，由弹簧和阻尼元件组成的悬架可以减小系统敏感部分对外部扰动的响应，从而达到隔离振动的目的。隔振系统通常用来衰减振动和冲击及持续的谐波激励。
长期以来，人们一直致力于被动隔振系统的设计与应用研究，研究发现，传统被动隔振系统不能协调共振响应与高频衰减之间的矛盾，制约了被动隔振系统性能的进一步提高。为了解决这个问题，Karnopp和Crosby提了一种理想天棚阻尼，它能够衰减共振响应而不增力口高频传递率(D. Karnopp, M. J. Crosby, R. A. Harwood. "Vibration Control Using Semi-Active Force Generators，，， Journal of Engineering for Industry, 96(2): 619-626, 1974)。理想天棚阻尼要求粘性阻尼器必须与惯性参考系相连，然而，在许多实际场合下，阻尼器不可能一端与被隔离质量相连，另一端与惯性参考系相连，车辆悬架系统就是一个很明显的例子。
图1是一种简化的理想天棚阻尼车辆悬架系统，图2是图 1的等效机械网络。被隔离质量 2的一个端点是它的质心，另一个端点是惯性参考系中的固定点。对相对于惯性参考系静止的系统来说，惯性参考系成为了阻尼器Csky和被隔离质量碼的公共端，因此，阻尼器Csky可以通过惯性参考系跨过被隔离质量碼与之并联，吸收质量《2的振动能量，抑制质量《2的共振。然而，对诸如车辆悬架这类相对于惯性参考系运动的系统来说，阻尼器Csky失去了惯性参考系这个天然的公共端，因此，不再能跨过被隔离质量碼，这正是人们认为理想天棚阻尼不能被动实现的根本原因。
为了达到理想天棚阻尼的隔振效果，人们采用替代的实现方式来实现天棚阻尼，包括主动和半主动实现方式。主动实现方式采用传感器、作动器及电子控制技术来实现天棚阻尼(c. R. Fuller, S. J. Elliott, P. A. Nelson. "Active Control of Vibration”，Academic Press, New York, 1996 )。半主动实现方式采用电子控制阻尼调节的方法来实现天棚阻尼(S. Rakheja. "Vibration and Shock Isolation Performance of a Semi-Active 'on-off' Damper，，，Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliabilty in Design, 107(4) : 398-403, 1985)。尽管主动和半主动的实现方式在理论上能产生预期的效果，但主动和半主动隔振系统需要外界能量输入，并且结构复杂，其可靠性还不如被动隔振系统。而且，在隔振过程中，无论是主动还是半主动隔振系统，都要经过三个环节，包括传感器的测量、控制器的计算和执行机构的执行环节，中间环节多，再加上传感器的测量、控制器的计算及执行机构的误差和时滞，严重影响了控制的实时性与有效性，使得主动和半主动隔振系统实际隔振效果难以达到理论上的预期效果。
美国专利6315094B1公开了一种被动天棚隔振系统，该系统包括主振系和有阻尼的动力吸振器两部分，在主振系中，弹簧和阻尼器支撑着主质量，有阻尼的动力吸振器附加在主振系的主质量上，调节动力吸振器的参数，抑制主质量的振动。在这种被动天棚隔振系统中，吸振器振子的质量与振子的振幅存在着不可调和的矛盾。根据吸振器与主振系自然频率相同的原则，一方面，要减小振子的振幅，就要增大吸振器弹簧的刚度，相应地振子的质量也要增加，这必然造成主质量上附加质量的增加，以某轿车悬架系统为例，其车身质量为1380kg，即使按照该专利中振子质量占主质量的最小百分比5%来计算，车身上附加质量也达到了 69kg，显然，增加了轿车的整备质量；另一方面，要减小振子的质量，就要减小吸振器弹簧的刚度，这将导致振子振幅的增加，显然，不利于吸振器的布置。
综合上述可以看出，人们迫切需要一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统，克服主动和半主动实现方法需要外界能量输入、结构复杂、实时性与可靠性差的不足，同时避免应用有阻尼动力吸振器带来的振子质量与振子振幅矛盾的问题，协调共振响应与高频衰减之间的矛盾，在高频传递率不增加的前提下，抑制被隔离质量的共振。本发明提供了一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统，能够克服上述实现方法的不足，其隔振效果接近于理想天棚和地棚阻尼。
本发明采用惯容器(Inerter，又称惯性质量蓄能器或惯性蓄能器，见美国专利 7316303B2, 2009/0108510A1 和 2009/0139225A1)作为系统一个基本元件。
中国专禾Ij201010281331. 9,201010281336. 1 和 201010281307. 5 公开的惯性质量蓄能悬架，主要是为了降低车身垂直加速度和轮胎动载荷，改善车辆乘坐舒适性和轮胎接地性，协调乘坐舒适性与轮胎接地性之间矛盾，但上述专利并没有给出对悬架性能具有决定性影响的悬架具体参数或参数之间的关系，也没有给出这些参数的确定方法。本发明主要是为了被动地实现理想天棚和地棚阻尼的功能，不仅公开了一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统，还公开了该系统参数的确定方法。发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服主动和半主动实现方法需要外界能量输入、 结构复杂、实时性与可靠性差的技术缺点，解决理想天棚和地棚阻尼要求阻尼器必须与惯性参考系相连的技术问题，提供一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统，不要求阻尼器与惯性参考系相连且能够最大限度地实现理想天棚和地棚阻尼的功能，抑制被隔离质量的振动。
本发明所采取的技术方案是，利用“惯容器-弹簧-质量”振动状态转换系统的反共振现象，将被隔离质量共振转换为惯容器共振，消除被隔离质量的共振现象，在此基础上，让阻尼器跨过惯容器与之并联，避免阻尼器跨过被隔离质量与之并联，从而克服理想天棚和地棚阻尼要求阻尼器必须与惯性参考系连接的技术偏见。
本发明的被动天棚和地棚阻尼隔振系统是一种两自由度(Two Degrees of Freedom, 2D0F)系统，包括“弹簧F阻尼器c”并联体，“弹簧先-阻尼器ct”并联体，天棚阻尼器Csky，地棚阻尼器Cgnd，活动基础，质量％振动状态转换系统和质量 2振动状态转换系统。
“弹簧先-阻尼器ct”并联体由弹簧先和阻尼器Ct并联连接构成；质量碼振动状态转换系统包括质量％和质量％振动状态转换器，质量％振动状态转换器由弹簧之和惯容器力i并联连接构成，质量^振动状态转换器串联连接并支撑着质量％ ； “弹簧kt_阻尼器 ct”并联体与质量巧振动状态转换器串联连接，并且通过质量％振动状态转换器支撑着整个质量％振动状态转换系统；活动基础串联连接并支撑着“弹簧先-阻尼器ct”并联体；地棚阻尼器Cgnd与质量巧振动状态转换器并联连接构成质量巧振动状态转换器与地棚阻尼器Cgnd的并联体。“弹簧阻尼器C”并联体由弹簧A和阻尼器c并联连接构成；质量碼振动状态转换系统包括质量 2和质量 2振动状态转换器，质量《2振动状态转换器由弹簧毛和惯容器b2并联连接构成，质量 2振动状态转换器串联连接并支撑着质量 2 ； “弹簧k-阻尼器c，， 并联体与质量 2振动状态转换器串联连接，并且通过质量％振动状态转换器支撑着整个质量％振动状态转换系统；质量巧串联连接并支撑着“弹簧阻尼器C”并联体；天棚阻尼器Csky与质量 2振动状态转换器并联连接构成质量 2振动状态转换器与天棚阻尼器Csky的并联体。本发明去掉2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中的质量巧振动状态转换器与地棚阻尼器Cgnd的并联体，将“弹簧先-阻尼器Ct”并联体的两端分别与质量^、活动基础直接串联连接，构成一种2D0F被动天棚阻尼隔振系统。本发明去掉2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中的质量 2振动状态转换器与天棚阻尼器Csky的并联体，将“弹簧F阻尼器C”并联体的两端分别与质量^、质量 2直接串联连接，构成一种2D0F被动地棚阻尼隔振系统。本发明去掉2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中的“弹簧先-阻尼器ct”并联体、 质量巧振动状态转换器与地棚阻尼器Cgnd的并联体和质量％，将“弹簧阻尼器C”并联体与活动基础直接串联连接起来，构成一种SDOF (Single Degree of Freedom)被动天棚阻尼隔振系统。在本发明的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中，质量购的质量为 2，弹簧毛的刚度为毛，惯容器、的惯容系数为力2，天棚阻尼器Csky的阻尼为Csky，弹簧左的刚度为夂阻尼器c的阻尼为c，质量巧的质量为％，弹簧先的刚度为&，惯容器之的惯容系数为力”地棚阻尼器Cgnd的阻尼为Cgnd，弹簧先的刚度为先，阻尼器Ct的阻尼为ct。2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统参数之、力工、毛、力2的确定方法为
步骤一，去掉2D0F理想天棚和地棚阻尼隔振系统中的天棚阻尼器Csky和地棚阻尼器Cgnd,得到2D0F传统被动隔振系统；已知^XF传统被动隔振系统参数质量碼的质量为 2、弹簧i的刚度为h阻尼器c的阻尼为C、质量巧的质量为叫、弹簧先的刚度为先和阻尼器的阻尼为Ct ；计算2D0F传统被动隔振系统中质量 2的共振频率
权利要求
1.一种2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，包括“弹簧A (5)-阻尼器c(6)”并联体，“弹簧先(9)-阻尼器Ct(10)”并联体，天棚阻尼器Csky (4)，地棚阻尼器Cgnd(7),活动基础(11)，质量巧振动状态转换系统(48)和质量 2振动状态转换系统(46)； 所述“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)”并联体由弹簧先(9)和阻尼器^ (10)并联连接构成；所述质量巧振动状态转换系统(48)包括质量巧(8)和质量巧振动状态转换器(47)， 所述质量碼振动状态转换器(47)由弹簧之(12)和惯容器力工(13)并联连接构成，质量巧振动状态转换器(47)串联连接并支撑着质量碼(8);所述“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)” 并联体与质量％振动状态转换器(47 )串联连接，并且通过质量巧振动状态转换器(47 )支撑着整个质量％振动状态转换系统(48);所述活动基础(11)串联连接并支撑着“弹簧先 (9)-阻尼器Ct (10)”并联体；所述地棚阻尼器Cgnd (7)与质量巧振动状态转换器(47)并联连接构成质量碼振动状态转换器(47)与地棚阻尼器Cgnd (7)的并联体；所述“弹簧A (5)-阻尼器c (6)”并联体由弹簧A (5)和阻尼器c (6)并联连接构成， 所述质量 2振动状态转换系统(46 )包括质量 2 (1)和质量 2振动状态转换器(45 )，所述质量碼振动状态转换器(45)由弹簧毛(2)和惯容器力2 (3)并联连接构成，质量碼振动状态转换器(45)串联连接并支撑着质量碼(1);所述“弹簧A (5)-阻尼器c (6)”并联体与质量 2振动状态转换器(45 )串联连接，并且通过质量 2振动状态转换器(45 )支撑着整个质量碼振动状态转换系统(46);所述质量碼(8)串联连接并支撑着“弹簧A (5)-阻尼器 c (6)”并联体；所述天棚阻尼器Csky (4)与质量碼振动状态转换器(45)并联连接构成质量碼振动状态转换器(45)与天棚阻尼器Csky (4)的并联体；所述2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中，质量碼(1)的质量为 2，弹簧毛(2)的刚度为毛，惯容器、(3)的惯容系数为力2，天棚阻尼器Csky (4)的阻尼为Csky，弹簧A (5)的刚度为I阻尼器c (6)的阻尼为c，质量碼(8)的质量为巧，弹簧先(12)的刚度为&，惯容器夂(13)的惯容系数为Zv地棚阻尼器Cgnd (7)的阻尼为Cgnd，弹簧先(9)的刚度为先， 阻尼器ct (10)的阻尼为ct。
2.根据权利要求1所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述弹簧先(12)的刚度为之，惯容器^ (13)的惯容系数为‘弹簧毛(2)的刚度为 k2,惯容器、(3)的惯容系数为力2，在先/3彡之彡先，左/3彡毛彡左中选取之、4，h = ^tt 巧、、= 用；已知系统参数质量馮(1)的质量为馮、弹簧左(5) /Ct + Λ }J ^ J的刚度为h阻尼器C (6)的阻尼为C、质量巧(8)的质量为碼、弹簧先(9)的刚度为先和阻尼器Ct (10)的阻尼为Ct、天棚阻尼器Csky (4)的阻尼Csky和地棚阻尼器Cgnd (7)的阻尼Cgnd0
3.根据权利要求2所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述质量 m2 (1)包括车身，所述质量碼(8)包括车轮。
4.根据权利要求2所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述质量 m2 (1)包括座椅，所述质量碼(8)包括车身。
5.根据权利要求2所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述质量 In2 (1)包括驾驶室，所述质量碼(8)包括车身。
6.根据权利要求2所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，所述质量叫(1)包括座椅，所述质量碼(8)包括驾驶室。
7.根据权利要求1所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述质量巧振动状态转换器(47)与地棚阻尼器Cgnd (7)的并联体与所述“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)”并联体互换位置。
8.根据权利要求1所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述质量碼振动状态转换器(45)与天棚阻尼器Csky (4)的并联体与所述“弹簧A (5)-阻尼器c (6)”并联体互换位置。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，所述惯容器氏(3)和惯容器力工(13)采用齿轮齿条惯容器、滚珠丝杠惯容器或者液力惯容器。
10.根据权利要求1至6中任意一项所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，还包括杠杆L1 (15)和杠杆L2 (14)，固定杆R1 (17)和固定杆民(16)以及滑道 (18);所述质量碼(1)、质量碼(8)和活动基础(11)滚动支承于竖直滑道(18)上，沿竖直滑道(18)上下滑动，所述杠杆L2 (14)的支点固定在质量碼(1)上，“弹簧A (5)-阻尼器 c (6)”并联体上端与杠杆L2 (14)的一端铰接，下端与质量巧(8)铰接，“弹簧毛(2)-惯容器力2 (3)”并联体上端与杠杆L2 (14)的另一端铰接，下端与固定杆民(16)的一端铰接，固定杆& (16)的另一端固定在质量 2 (1)上；杠杆！^ (15)的支点固定在质量巧(8) 上，“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)”并联体上端与杠杆L1 (15)的一端铰接，下端与活动基础(11)铰接，“弹簧先(12)-惯容器^ (13)”并联体上端与杠杆L1 (15)的另一端铰接， 下端与固定杆R1 (17)的一端铰接，固定杆R1 (17)的另一端固定在质量巧(8)上。
11.根据权利要求10所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统，其特征在于，采用“扭转弹簧A (19)-扭转阻尼器A (20)”并联体和“扭转弹簧B (21)-扭转阻尼器B (22)”并联体分别代替“弹簧A (5)-阻尼器c (6)”并联体和“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)”并联体；“扭转弹簧A (19)-扭转阻尼器A (20)”并联体由扭转弹簧A (19)和扭转阻尼器A (20)并联连接构成，“扭转弹簧A (19)-扭转阻尼器A (20)”并联体具有两个公共端，一端与质量巧(8)固定连接，另一端与“弹簧毛(2)-惯容器力2 (3)”并联体的一端铰接，“弹簧毛(2)-惯容器力2 (3)”并联体的另一端则与 2 (1)铰接；所述“扭转弹簧B (21)-扭转阻尼器B (22)”并联体由扭转弹簧B (21)和扭转阻尼B (22)并联连接构成，“扭转弹簧 B (21)-扭转阻尼器B (22)”并联体具有两个公共端，一端与活动基础(11)固定连接，另一端与“弹簧先(12)-惯容器(13)”并联体的一端铰接，“弹簧先(12)-惯容器(13)” 并联体的另一端则与碼(8)铰接。
12.—种2D0F被动地棚阻尼隔振系统，其特征在于，去掉权利要求1至9中任意一项所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中的质量 2振动状态转换器(45)与天棚阻尼器Csky (4)的并联体，将“弹簧A (5)-阻尼器c (6)”并联体的两端分别与质量巧(8)、碼 (1)直接串联连接。
13.—种2D0F被动天棚阻尼隔振系统，其特征在于，去掉权利要求1至9中任意一项所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中的质量巧振动状态转换器(47)与地棚阻尼器 Cgnd (7)的并联体，将“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)”并联体的两端分别与质量巧(8)、活动基础(11)直接串联连接。
14. 一种SDOF被动天棚阻尼隔振系统，其特征在于，去掉权利要求1至9中任意一项所述的2D0F被动天棚和地棚阻尼隔振系统中的“弹簧先(9)-阻尼器Ct (10)”并联体、质量巧振动状态转换器(47)与地棚阻尼器Cgnd (7)的并联体和质量碼(8)，将“弹簧A (5)-阻尼器c (6)”并联体与活动基础直接(11)串联连接起来。
全文摘要
本发明利用“惯容器-弹簧-质量”振动状态转换系统的反共振现象，将被隔离质量的共振转换为惯容器的共振，消除了被隔离质量的共振现象，在此基础上，让阻尼器跨过惯容器与之并联，从而避免了阻尼器跨过被隔离质量与之并联，解决了理想天棚和地棚阻尼要求阻尼器必须与惯性参考系相连的技术问题。本发明提供了一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统及其参数的确定方法，不要求阻尼器与惯性参考系相连，且能够最大限度地实现理想天棚和地棚阻尼的功能，抑制被隔离质量的振动，克服主动和半主动实现方法需要外界能量输入、结构复杂、实时性与可靠性差的技术缺点。
文档编号B62D33/10GK102494071SQ201110360020
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者张孝良, 江浩斌, 汪若尘, 聂佳梅, 陈龙 申请人:江苏大学