(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010606301.4
(22)申请日 2020.06.29
(71)申请人 哈尔滨工业大学
地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西
大直街92号
(72)发明人 崔俊宁 王立 钟红军 梁士通
赵亚敏 邹丽敏
(51)Int.Cl.
F16F 13/00(2006.01)
F16F 6/00(2006.01)
F16F 9/02(2006.01)
F16F 9/34(2006.01)
(54)发明名称
器
(57)摘要
基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振
器属于精密隔振技术领域，包括双腔室空气弹簧
隔振器和磁负刚度结构，磁负刚度结构同轴嵌套
在双腔室空气弹簧隔振器的主气室内，主气室的
底部设置环形橡胶垫，主气室与附加气室之间均
匀设置2～10个节流孔；磁负刚度结构由内定磁
成，上动磁环与下动磁环关于内定磁环的轴向高
度中心对称布置、沿径向反向磁化，内定磁环与
外定磁环的轴向高度中心在同一水平线上，且沿
轴向反向磁化；本发明固有频率低，阻尼系数大，
集成度及稳定性高。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 111734778 A 2020.10.02
C N 111734778
A
1.一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，包括空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，所述磁负刚度结构同轴嵌套在空气弹簧隔振器内，整体结构呈轴对称，所述空气弹簧隔振器包括主气室(3)、橡胶膜(5)、内压环(6)和外压环(7)，外压环(7)将环形橡胶膜(5)的外端压紧固定在主气室(3)上，内压环(6)顶端支撑隔振负载；其特征在于：所述空气弹簧隔振器还包括附加气室(4)，所述附加气室(4)固定安装在主气室(3)正下方，附加气室(4)侧壁设置进气孔(13)，主气室(3)与附加气室(4)之间均匀设置2～10个节流孔(12)，主气室
(3)的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，主气室(3)的底部设置环形橡胶垫(14)；所述磁负刚度结构包括由轴线沿半径向外同轴嵌套的定磁环固定件(9)、内定磁环(8a)、动磁环安装件(11)、动磁环(10)和外定磁环(8b)，所述定磁环固定件(9)和动磁环安装件(11)的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，内定磁环(8a)固定安装在定磁环固定件(9)外壁，定磁环固定件(9)底部与主气室(3)的底部固定连接，内定磁环(8a)与动磁环安装件(11)沿径向设有间隙，动磁环(10)包括关于定磁环(8)的轴向高度中心对称布置的上动磁环(10a)与下动磁环(10b)，上动磁环(10a)与下动磁环(10b)沿径向反向磁化并固定连接在动磁环安装件(11)外壁，内压环(6)将环形弹性膜(5)的内端
压紧固定在动磁环安装件(11)顶端，动磁环(10)与外定磁环(8b)沿径向设有间隙，外定磁环(8b)固定安装在主气室(3)内壁，内定磁环(8a)与外定磁环(8b)轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化，内定磁环(8a)与上动磁环(10a)之间呈斥力作用，内定磁环(8a)与下动磁环(10b)之间呈斥力作用，外定磁环(8b)与上动磁环(10a)之间呈斥力作用，外定磁环(8b)与下动磁环(10b)之间呈斥力作用。
2.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述内定磁环(8a)沿轴向向下磁化、上动磁环(10a)由轴心沿半径向外磁化，或内定磁环(8a)沿轴向向上磁化、上动磁环(10a)沿半径向轴心磁化。
3.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述内定磁环(8a)、外定磁环(8b)、上动磁环(10a)和下动磁环(10b)为永磁体或电磁铁。
4.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述节流孔(12)的形状为圆形、椭圆形或多边形。
5.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述节流孔(12)的外接圆直径为1mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述附加气室(4)的体积不大于主气室(3)体积的3倍。
7.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述橡胶膜(5)由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
8.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述橡胶垫(14)由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
权 利 要 求 书1/1页CN 111734778 A
基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器
技术领域
[0001]本发明属于精密减振技术领域，特别是一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器。
背景技术
[0002]在精密仪器设备的装调、测试和实验过程中，环境中的低频微幅振动干扰成为影响研究效果的重点问题之一，为精密仪器设备配备大承载空气弹簧隔振器逐渐成为大型超精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段，但对于空气弹簧隔振器的研究仍存在以下几个问题：
[0003](1)空气弹簧隔振器的固有频率高，无法抑制环境中的低频/超低频振动干扰。现有空气弹簧隔振器可以实现大承载及中高频振动抑制效果，但是实现低频/超低频振动抑制需要增加腔室体积，不仅会增加制造成本和使用空间，而且随着腔室体积的增加，其低频振动抑制效果越不明显，因此，在实际使用中，空气弹簧隔振器一般难以隔离1Hz以下的振动。
[0004](2)空气弹簧隔振器的系统阻尼小，导致冲击扰动下稳定调整时间长，谐振峰值高。空气弹簧隔振器是在柔性膜中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现弹性支撑的一种非接触式弹簧，不存在机械摩擦，柔性膜的结构阻尼作为空气弹簧隔振器的主要阻尼来源，阻尼系数较小，导致冲击扰动激励下，振动能量衰减慢，系统稳定调整时间长，谐振峰值高。
[0005](3)并联磁负刚度结构的空气弹簧隔振器集成度低、稳定性差、受正刚度支撑元件浮起高度影响。将磁负刚度结构与空气弹簧隔振器并联可在保证空气弹簧隔振器大承载的条件下降低固有频率，从而实现大承载低频/超低频隔振效果。但现有由立方永磁体负刚度结构与空气弹簧隔振器并联构成的低频隔振器体积大，系统集成度低，且负刚度结构的刚度值受空气弹簧隔振器浮起高度的影响；而对于嵌套同轴磁环负刚度结构的空气弹簧隔振器，沿轴向阵列同轴磁环负刚度结构以增大负刚度值的方式会提高隔振器的重心高度，降低隔振器的稳定性。
[0006](4)并联磁负刚度结构的空气弹簧隔振器对冲击扰动激励无相应的保护措施。大幅值冲击扰动激
励导致磁负刚度结构的动磁铁与定磁铁，动磁铁与或定磁铁固定件之间产生刚性碰撞，易造成磁铁损坏或破碎。
[0007]专利号CN201310142491.9公开了一种正负刚度并联减振器。该技术方案将磁负刚度结构同轴安装在空气弹簧隔振器腔室内构成正负刚度并联减振器，磁负刚度结构由两个沿径向反向磁化的同轴磁环构成，结构紧凑，且不需要考虑空气弹簧隔振器浮起高度对磁负刚度结构刚度值的影响。该技术方案的特征在于：1)磁负刚度结构轴向阵列以增大负刚度值的方式导致正负刚度并联减振器重心高，稳定性差；2)磁负刚度结构为非接触作用方式，并未改善空气弹簧隔振器的阻尼特性；3)冲击扰动激励下，磁负刚度结构无相应的保护措施。
[0008]专利号CN201610914596.5和CN201610914512.8公开了一种磁负刚度结构以降低空气弹簧隔振器的固有频率，磁负刚度结构由三块磁化方向相同、沿垂向等间隙阵列布置的立方永磁体构成，刚度值可通过改变永磁体间隙实现可调。该技术方案的特征在于：1)适用于浮起高度较小的空气弹簧隔振器，对于大承载空气弹簧隔振器，较大的浮起高度会增大永磁体间隙，进而导致磁负刚度结构的刚度值甚微，对降低空气弹簧隔振器固有频率的效果不明显；2)橡胶膜的结构阻尼小；3)空气弹簧隔振器与磁负刚度结构分体安装布置，系统集成度低、体积大；4)冲击扰动激励下，磁负刚度结构无相应的保护措施。
[0009]专利号CN201810853079.0公开了一种正负刚度并联的准零刚度隔振器。该技术方案利用轴向磁化的同轴双磁环构成磁负刚度结构，磁环的轴向充磁加工方便；磁环间隙与正刚度支撑元件的起落运动方向垂直，因此不需要考虑正刚度支撑元件的浮起高度对磁负刚度结构刚度值的影响。该技术方案的特征在于：1)磁负刚度结构为非接触作用方式，并未改善空气弹簧隔振器的阻尼特性；2)磁负刚度结构采用沿轴向阵列的方式增大负刚度值降低正刚度支撑元件的刚度值，轴向阵列方式导致隔振器的重心高，稳定性差；3)磁负刚度结构均匀分布在正刚度支撑元件的左右两侧，系统集成度低、体积大。
[0010]综上，如何通过隔振结构与原理创新，提供一种高集成度、高稳定性、大阻尼，且不受正刚度支撑元件浮起高度影响的磁负刚度结构以抵消大承载空气弹簧隔振器的正刚度值，对进一步提高隔微振平台的低频隔振性能及增大结构阻尼，快速衰减振动能量具有重大意义。
发明内容
[0011]本发明的目的是针对大承载空气弹簧隔振器固有频率高无法满足精密仪器设备低频/超低频的隔振需求，阻尼系数小导致冲击扰动下稳定调整时间长、谐振峰值高，且冲击扰动激励下，磁负刚度结构无相应的保护措施的问题，提出一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，该空气弹簧隔振器能够实现大承载条件下的超低频隔振效果，从而有效隔离高、中、低各个频段的环境微振动干扰，
提升防微振实验室的隔振水平，保证各类超精密仪器设备工作在最优环境，同时系统的节流孔阻尼及涡流阻尼有助于加速振动能量衰减，降低谐振峰值。
[0012]本发明的技术解决方案是：
[0013]一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，包括空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，所述磁负刚度结构同轴嵌套在空气弹簧隔振器内，整体结构呈轴对称，所述空气弹簧隔振器包括主气室、橡胶膜、内压环和外压环，外压环将环形橡胶膜的外端压紧固定在主气室上，内压环顶端支撑隔振负载；所述空气弹簧隔振器还包括附加气室，所述附加气室固定安装在主气室正下方，附加气室侧壁设置进气孔，主气室与附加气室之间均匀设置2～10个节流孔，主气室的材料为导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，主气室的底部设置环形橡胶垫；所述磁负刚度结构包括由轴线沿半径向外同轴嵌套的定磁环固定件、内定磁环、动磁环安装件、动磁环和外定磁环，所述定磁环固定件和动磁环安装件的材料为导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，内定磁环固定安装在定磁环固定件外壁，定磁环固定件底部与主气室的底部固定连接，内定磁环与动磁环安装件沿径向设有间隙，动磁环包括关于定磁环的轴向高度中心对称布置的上动磁环与下动磁环，上动磁环与下动磁
环沿径向反向磁化并固定连接在动磁环安装件外壁，内压环将环形弹性膜的内端压紧固定在动磁环安装件顶端，动磁环与外定磁环沿径向设有间隙，外定磁环固定安装在主气室内壁，内定磁环与外定磁
环轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化，内定磁环与上动磁环之间呈斥力作用，内定磁环与下动磁环之间呈斥力作用，外定磁环与上动磁环之间呈斥力作用，外定磁环与下动磁环之间呈斥力作用。
[0014]优选的，所述内定磁环沿轴向向下磁化、上动磁环由轴心沿半径向外磁化，或内定磁环沿轴向向上磁化、上动磁环沿半径向轴心磁化。
[0015]优选的，所述内定磁环、外定磁环、上动磁环和下动磁环为永磁体或电磁铁。[0016]优选的，所述节流孔的形状为圆形、椭圆形或多边形。
[0017]优选的，所述节流孔的外接圆直径为1mm～10mm。
[0018]优选的，所述附加气室的体积不大于主气室体积的3倍。
[0019]优选的，所述橡胶膜由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
[0020]优选的，所述橡胶垫由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
[0021]本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
[0022](1)该技术方案实现了空气弹簧隔振器的大承载及近零频率隔振效果，同时具有高集成度特性。本发明一方面通过串联附加气室的方式降低空气弹簧隔振器的刚度值及固有频率，另一方面在空气弹簧隔振器的主气室内同轴嵌套磁负刚度结构实现了大承载条件下的近零频率隔振效果，有效隔离超精密仪器设备所处环境中全频带的微振动干扰，同时提高了系统的集成度。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
[0023](2)本发明产生的节流孔阻尼与涡流阻尼可有效加速振动能量衰减，缩短系统稳定时间。本发明在主气室与附加气室之间设置不同形状、尺寸、数量的节流孔以引入节流孔阻尼、增大系统阻尼；此外，扰动激励下，主气室、定磁环固定架内产生的电涡流阻尼可以有效抑制动磁环相对定磁环的运动、快速衰减振动能量、缩短系统稳定时间。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
[0024](3)该技术方案利用垂直磁化的磁环同轴嵌套构成磁负刚度结构，可避免空气弹簧隔振器浮起高度对负刚度值的影响，同时实现了高稳定性特性。采用径向磁化的定磁环与轴向磁化的动磁环同轴嵌套构成磁负刚度结构，磁环间隙与空气弹簧隔振器的起落运动方向垂直，消除了空气弹簧隔振器浮起高度对磁负刚度结构刚度值的影响；径向阵列磁环增大负刚度值的方式可有效避免磁环的轴向阵列方式而导致磁负刚度结构的重心高度提升、稳定性降低的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
[0025](4)本发明可有效避免冲击扰动激励下的刚性碰撞。本发明在空气弹簧隔振器主气室底部设置橡胶垫作为磁负刚度结构的保护措施，可以有效避免冲击扰动激励下动磁环与主气室底部产生刚性碰撞造成磁环损坏的现象。这是本发明区别于现有技术的创新点之四。
附图说明
[0026]图1为基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器的三维剖视示意图；[0027]图2为基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器的正剖面示意图。
[0028]图中件号说明：1进气孔、2橡胶垫、3主气室、4附加气室、5橡胶膜、6内压环、7外压
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