[发明专利]一种被动天棚和地棚阻尼隔振系统

说明书

  

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加高频传递率 (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m₂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c_sky和被隔离质量m₂的公共端，因此，阻尼器c_sky可以通过惯性参考系跨过被隔离质量m₂与之并联，吸收质量m₂的振动能量，抑制质量m₂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c_sky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m₂，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。