基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器

摘要

基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器属于超精密测量及加工领域。所述隔振器的斜拉钢丝绳的上、下端分别与环形盖板和支撑杆下端固接，构成单摆机构，钢弹簧安装在内筒底部，活塞与钢弹簧接触配合，柔性铰链的上、下端分别配装在支撑杆下端和活塞上端面上，构成倒摆机构，螺旋形阻尼管配装在活塞腔室外部，内筒底部注入阻尼油，阻尼油将螺旋形阻尼管包容，螺旋形阻尼管的一端口与活塞内部连通，其另一端口与阻尼油连通。本发明利用液体粘滞阻尼作用和活塞的往复运动，为正倒摆串联机构提供阻尼，通过选用不同粘度的阻尼油获得不同大小的液体粘滞阻尼，在隔振器的水平方向存在强振、微振和冲击载荷的情况下均能提供最佳大小的阻尼。

说明书

技术领域

本发明属于超精密测量及加工领域，特别涉及一种基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器。 

背景技术

性能优异的隔振装置是超精密测量及加工的关键技术之一。空气弹簧隔振器具有良好的超低频隔振性能、承载能力高、等效刚度较低、固有频率对载荷变化不敏感、系统容易实现、耗能低等优点，随着超精密测量及加工技术、纳米技术和超大规模集成电路制造技术的发展，空气弹簧隔振器得到了越来越广泛的应用。如光刻机承载所有曝光元件的测量框架的振动隔离。 

影响隔振性能的主要指标是隔振装置的固有频率和阻尼比，在阻尼的作用下，隔振系统典型的振动传递率如图1所示。由图1可见，在谐振区阻尼对振动有十分显著的抑制作用，在谐振区以外情况正好相反。因此，为了保证他隔振系统的隔振性能，必须根据实际情况合理设置系统阻尼。 

由上图可见，在谐振区阻尼对振动有十分显著的抑制作用，在谐振区 以外情况正好相反。因此，为了保证他隔振系统的隔振性能，必须根据实际情况合理设置系统阻尼。 

专利US2003006540A1“Self-aligning mechanism for pneumatic vibration isolators”提出空气弹簧和单摆机构串联的隔振器，其特征在于：内筒底部注入适量的阻尼油，单摆机构的下端浸入阻尼油中，利用液体粘滞阻尼作用和单摆机构相对于内筒的摆动，产生水平阻尼，这种阻尼方式在摆式空气弹簧隔振器中十分常见。液体粘滞阻尼力取决于以下因素，如下式所示。 

f_d＝cv^α

式中：c为阻尼系数，与接触面积正相关；v为相对速度；α为速度指数。 

由于单摆机构和阻尼油的接触面积十分有限，能够提供的阻尼作用很小，尤其在低速度和微位移的超低频针对情况下，几乎无法提供阻尼作用。另外，由于单摆机构和阻尼油的接触部分形状十分不规则，其提供的阻尼作用具有强非线性的缺点，不利于液体粘滞阻尼的合理利用。 

综合考虑隔振器的水平方向存在强振、微振和冲击载荷等情况，上述发明所述的空气弹簧隔振器中的阻尼环节存在明显缺点。 

发明内容

为了解决现有空气弹簧隔振器存在的问题，本发明提出一种基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器，以满足超精密测量加工及装配调试领域中超低频隔振的需要。针对正倒摆串联机构的结构特点，本发明提出倒摆的活塞腔室外接一根螺旋形阻尼管，内筒底部注入适量的阻尼油，形成基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器。 

本发明的目的是这样实现的： 

一种基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器，其力学模型如图1所示。所述的空气弹簧隔振器在外筒内部配装内筒，空气弹簧气囊套装在内筒上端外部，外筒通过其上端凸台与空气弹簧气囊下端密封联接，内筒通过其上端固接的环形盖板与空气弹簧气囊上端密封联接，进气孔设置在外筒外壁上，呈圆周排列的一组节流孔设置在外筒内壁上，在外筒下端密封配装圆形底板，支撑杆穿过环形盖板配装在内筒腔内，斜拉钢丝绳的上端与环形盖板固接，斜拉钢丝绳的下端与支撑杆下端固接，斜拉钢丝绳构成单摆机构，承重盘固装在支撑杆上端，钢弹簧安装在内筒底部，活塞与钢弹簧接触配合，柔性铰链的下端配装在活塞上端面上，柔性铰链的上端配装在支撑杆下端，柔性铰链、活塞和钢弹簧构成倒摆机构；螺旋形阻尼管配装在活塞腔室外部，内筒底部注入阻尼油，阻尼油将螺旋形阻尼管包容，螺旋形阻尼管的一端口与活塞内部连通，其另一端口与阻尼油连通。 

本发明具有以下特点和良好效果： 

1.来自环境的水平振动传递到正倒摆串联机构，引起活塞往复运动，在活塞推力和阻尼油的压力差作用下，螺旋形阻尼管内的阻尼油与螺旋形阻尼管的内壁发生相对运动，从而为正倒摆串联机构提供粘滞阻尼。采用螺旋形阻尼管有利于在有限空间内最大限度增大阻尼油与阻尼管内壁的接触面积，从而保证在低速度和微位移的超低频振动情况下仍然能够输出足够大的阻尼力。螺旋形阻尼管输出的粘滞阻尼力取决于以下因素，如下式所示。 

f_d＝cv^α

式中：c为阻尼系数，与接触面积正相关；v为相对速度；α为速度指数。 

2.螺旋形阻尼管输出的粘滞阻尼力与接触面积正相关，在本发明中螺旋形阻尼管与阻尼油的接触面积主要取决于螺旋形阻尼管长度L_S，如下式所示。 

S＝dL_S

式中：d为形状系数，与相对位移正相关；S为接触面积；L_S为螺旋形阻尼管长度。 

由上式可知，本发明从结构上解决了由于单摆机构和阻尼油的接触部分形状不规则造成的阻尼强非线性的缺点，有利于液体粘滞阻尼的合理利用。 

3.本发明利用液体粘滞阻尼作用和活塞的往复运动，为正倒摆串联机构提供阻尼，通过选用不同粘度的阻尼油获得不同大小的粘滞阻尼，在水平方向存在强振、微振和冲击载荷的情况下本发明公开的空气弹簧隔振器均能提供大小合适的阻尼。 

4.本发明提出倒摆的活塞腔室外接一根螺旋形阻尼管，内筒底部注入适量的阻尼油，形成了基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器。这种阻尼结构的设置充分考虑了正倒摆串联机构的结构特点，使得整个隔振器结构更加紧凑合理。 

附图说明

图1为隔振系统典型的振动传递率曲线图； 

图2为基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器的力学模型示意图； 

图3为基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器的剖面示意图； 

图4为基于活塞式液体粘滞阻尼作用的空气弹簧隔振器的3D剖面示意图； 

图5为螺旋形阻尼管的3D剖面示意图。 

图中：1.承重盘；2.环形盖板；3.支撑杆；4.斜拉钢丝绳；5.空气弹簧气囊；6.内筒；7.外筒；8.柔性铰链；9.活塞；10.节流孔；11.钢弹簧；12.进气口；13.圆形底板；14.螺旋形阻尼管；15.阻尼油。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，如图2、图3和图4所示，显示了本发明所述的空气弹簧隔振器的一个实施例。 

所述空气弹簧隔振器在外筒7内部配装内筒6，空气弹簧气囊5套装在内筒6上端外部，外筒7通过其上端凸台与空气弹簧气囊5下端密封联接，内筒6通过其上端固接的环形盖板2与空气弹簧气囊5上端密封联接，进气孔12设置在外筒7外壁上，呈圆周排列的一组节流孔10设置在外筒7内壁上，在外筒7下端密封配装圆形底板13，支撑杆3穿过环形盖板2配装在内筒6腔内，斜拉钢丝绳4的上端与环形盖板2固接，斜拉钢丝绳4的下端与支撑杆3下端固接，斜拉钢丝绳4构成单摆机构，承重盘1固装在支撑杆3上端，钢弹簧11安装在内筒6底部，活塞9与钢弹簧11接触配合，柔性铰链8的下端配装在活塞9上端面上，柔性铰链8的上端配装在支撑杆3下端，柔性铰链8、活塞9和钢弹簧11构成倒摆机构；螺旋形阻尼管14配装在活塞9腔室外部，内筒6底部注入阻尼油15，阻尼油 15将螺旋形阻尼管14包容，螺旋形阻尼管14的一端口与活塞9内部连通，其另一端口与阻尼油15连通。 

所述的螺旋形阻尼管14是顺时针螺旋阻尼管或逆时针螺旋形阻尼管。 

所述的螺旋形阻尼管14的内径范围是5mm至100mm。 

所述的螺旋形阻尼管14的个数是1个至30个。 

所述的斜拉钢丝绳4的根数是3根至50根，且均布。 

所述的斜拉钢丝绳4与铅垂线夹角的范围为0°至30°。 

所述的斜拉钢丝绳4是圆股、异型股或多股不扭转的有机芯钢丝绳、纤维芯钢丝绳、石棉芯钢丝绳、钢丝芯钢丝绳。 

所述的节流孔10的孔数是2个至100个，且呈圆周均布。 

所述的钢弹簧11是螺旋弹簧、圆锥弹簧、蝶形弹簧或橡胶弹簧。 

分析来自环境的振动，按照振动方向可以分为垂直振动和水平振动。水平振动先后通过外筒7、空气弹簧气囊5、内筒6、正倒摆串联机构(斜拉钢丝绳4、柔性铰链8、活塞9和钢弹簧11)和支撑杆3，作用于承重盘1上，除了正倒摆串联机构，其他环节近似为刚性体，因此水平振动能够引起活塞9往复运动，在活塞9的推力和阻尼油15的压力差作用下，螺旋形阻尼管14内的阻尼油15与螺旋形阻尼管14的内壁发生相对运动，从而为正倒摆串联机构提供粘滞阻尼；垂直振动先后通过外筒7、空气弹簧气囊5、内筒6、斜拉钢丝绳4和支撑杆3，作用于承重盘1上，除了空气弹簧气囊5，其他环节近似为刚性体，柔性铰链8、活塞9和钢弹簧11组成的倒摆在垂直方向上只起到辅助支撑的作用，垂直振动不能引起活塞9往复运动，因此螺旋形阻尼管14对垂直振动不起阻尼作用。