一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器

摘要

本发明公开了一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器，该隔振器包括多层介电弹性体膜弹簧、多个环形磁铁；多层介电弹性体膜弹簧采用多层介电弹性体膜、多层导电电极相叠加的方式，且相邻导电电极的极性相反；该隔振器利用相互吸引的环形磁铁产生的非线性恢复力以实现非线性负刚度，通过改变施加在多层介电弹性体膜弹簧的导电电极上的驱动电压，使多层介电弹性体膜弹簧所提供与之相匹配的正刚度，正负刚度的组合实现工作位置附近的准零刚度，有效地降低隔振系统的固有频率；由于多层介电弹性体膜弹簧提供电压调控的正刚度，克服了单层介电弹性体膜调控刚度能力有限的缺点，大大提高了刚度可调控的范围，实现刚度的调控。

说明书

技术领域

本发明涉及隔振技术领域，特别涉及一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器。

背景技术

在工程上，机械设备的振动是一种普遍存在且日益受到人们关注。这些振动将引起远大于静态工作负荷的较大变形和应力，这将对机械设备的正常工作造成巨大的困扰。例如，光刻机的振动会影响加工精度从而大大降低半导体芯片的成品率，显微镜的振动会造成成像的清晰度大大降低等。为了减少这种影响，一个有效的措施就是在振源和振动体之间插入隔振器从而实现振动隔离。但是在进行隔振器设计时，必须设计适当的隔振装置参数，否则隔振系统非但不能起到隔振作用，反而会放大激励。当激励频率大于隔振系统的固有频率的倍时，传统的线性隔振器才开始发挥作用，但对于低频范围的振动往往难以实现有效的隔离。由于一般线性隔振器的隔振频带受到限制，为了能够对低频振动进行有效的抑制，常采用的一种方法是通过减小隔振系统的刚度来拓宽隔振频带，但减小隔振系统的刚度将会导致静变形增大，降低系统的稳定性。虽然有的隔振器可以实现在平衡位置附近的高静态刚度低动态刚度，但无法实现刚度的主动调控。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器，该隔振器不仅能够实现在平衡位置附近的高静态刚度低动态刚度，还能够实现刚度的主动调控。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器，所述可变刚度隔振器包括：多层介电弹性体膜弹簧、设置在所述多层介电弹性体膜弹簧的中心腔体内的中端环形磁铁、设置在所述多层介电弹性体膜弹簧的中心腔体上端的中端环形磁铁盖板、设置在所述多层介电弹性体膜弹簧的中心腔体下端的中端环形磁铁底板、两端带有螺纹段的导向轴；所述导向轴的一端通过螺纹与质量块连接；所述导向轴的中间部分轴向嵌套线性轴承以限制所述导向轴水平方向的运动；所述线性轴承的外部设置上端环形磁铁固定架；所述上端环形磁铁固定架与所述线性轴承之间形成的腔体中放置有上端环形磁铁；所述上端环形磁铁固定架的顶部开口处设置与所述上端环形磁铁固定架相匹配的上端环形磁铁盖板；所述导向轴的另一端螺纹段依次穿过所述上端环形磁铁固定架、所述中端环形磁铁盖板的螺纹孔、所述中端环形磁铁的螺纹孔，固定在所述中端环形磁铁底板的螺纹孔内；所述多层介电弹性体膜弹簧的外绝缘固定框架上下设置上支撑架和下支撑架，并通过第一内六角圆柱头螺栓、与所述第一内六角圆柱头螺栓相配合的螺母将所述外绝缘固定框架、所述上支撑架以及所述下支撑架固定在一起；所述上支撑架的上端侧面通过第一内六角圆柱头螺钉与所述上端环形磁铁固定架固连；在所述中端环形磁铁底板下方设置下端环形磁铁固定架；所述下端环形磁铁固定架通过第二内六角圆柱头螺钉与所述下支撑架的下端侧面固连；所述下端环形磁铁固定架的底部开口处设置下端环形磁铁底板，并通过第三内六角圆柱头螺钉将所述下端环形磁铁固定架和所述下端环形磁铁底板固定在一起，且在所述下端环形磁铁固定架与所述下端环形磁铁底板之间形成的腔体中放置有下端环形磁铁；所述中端环形磁铁的磁极极性与所述上端环形磁铁的磁极极性相反，所述中端环形磁铁的磁极极性与所述下端环形磁铁的磁极极性相反，且所述中端环形磁铁、所述上端环形磁铁以及所述下端环形磁铁构成磁负刚度机构；

其中，所述多层介电弹性体膜弹簧的中间为凯夫拉纤维夹芯，所述多层介电弹性体膜弹簧的绝缘固定框架由所述外绝缘固定框架和内绝缘固定框架组成；在所述凯夫拉纤维夹芯层的上下均设置多个且数量相同的叠层结构，并通过所述外绝缘固定框架和所述内绝缘固定框将所述凯夫拉纤维夹芯、多个所述叠层结构压紧固定；所述叠层结构从上之下依次包括第一导电电极、介电弹性体膜片以及第二导电电极，且所述第一导电电极和所述第二导电电极的极性相反并呈十字形分布。

可选的，相邻所述叠层结构的电极的极性相反且呈十字形分布。

可选的，所述多层介电弹性体膜弹簧还包括绝缘胶带；所述绝缘胶带设置在所述多层介电弹性体膜弹簧的绝缘固定框架与所述叠层结构之间。

可选的，所述上端环形磁铁盖板通过第四内六角圆柱头螺钉与所述线性轴承固连。

可选的，所述中端环形磁铁盖板、所述内绝缘固定框架、所述中端环形磁铁底板通过第二内六角圆柱头螺栓以及与所述第二内六角圆柱头螺栓相配合的螺母固结在一起。

可选的，所述中端环形磁铁、所述上端环形磁铁以及所述下端环形磁铁均为环形永磁铁，且所述上端环形磁铁、所述中端环形磁铁、所述下端环形磁铁之间的间隔均为15mm。

可选的，所述介电弹性体膜片为经过预拉伸处理的PDMS膜。

可选的，所述外绝缘固定框架和所述内绝缘固定框架的材质均为纤维增强复合材料。

可选的，所述第一导电电极和所述第二导电电极的材料均为载碳硅橡胶。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器，此隔振器利用相互吸引的环形磁铁产生的非线性恢复力以实现非线性负刚度，多层介电弹性体膜弹簧提供电压调控的正刚度，正负刚度的组合使工作位置附近的准零刚度，实现在平衡位置附近的高静态刚度低动态刚度。此隔振器采用多层介电弹性体膜相叠加的方式，并通过改变施加在导电电极上的驱动电压，使多层介电弹性体膜弹簧所提供的正刚度发生变化，克服了单层介电弹性体膜调控刚度能力有限的缺点，大大提高了刚度可调控的范围，从而实现刚度的调控。

另外，该隔振器还具有结构简单，刚度可控等优点，有效地降低隔振系统的固有频率，拓宽隔振频带。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器的结构刨面图；

图2为本发明基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器的立体示意图；

图3为本发明双层介电弹性体膜弹簧的结构示意图；

图4为本发明电极布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器，该隔振器不仅能够实现在平衡位置附近的高静态刚度低动态刚度，还能够实现刚度的主动调控。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

介电弹性体是一种电致变形材料，当输入高电压进行激励时，介电弹性体会产生麦克斯韦应力，从而导致较大的应变伸缩；因此，介电弹性体通过调控电压实现对介电弹性体膜刚度的调控。

此外介电弹性体还具有较高的机电转换效率，质量轻、价格低、运动灵活、易于成形和不易疲劳损坏等优点，常被用来制作柔软，轻巧，具有高能量转换效率的驱动器或能量转化器。

图1为本发明实施例基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器的结构刨面图，图2为本发明基于多层介电弹性体膜的可变刚度隔振器的立体示意图。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的可变刚度隔振器包括多层介电弹性体膜弹簧1、设置在所述多层介电弹性体膜弹簧1的中心腔体内的中端环形磁铁2、设置在所述多层介电弹性体膜弹簧1的中心腔体上端的中端环形磁铁盖板3、设置在所述多层介电弹性体膜弹簧1的中心腔体下端的中端环形磁铁底板4、两端带有螺纹段的导向轴5。

所述导向轴5的一端通过螺纹与质量块6连接；所述导向轴5的中间部分轴向嵌套线性轴承7以限制所述导向轴5水平方向的运动；所述线性轴承7的外部设置上端环形磁铁固定架8；所述上端环形磁铁固定架8与所述线性轴承7之间形成的腔体中放置有上端环形磁铁9；所述上端环形磁铁固定架8的顶部开口处设置与所述上端环形磁铁固定架8相匹配的上端环形磁铁盖板10；所述导向轴5的另一端螺纹段依次穿过所述上端环形磁铁固定架8、所述中端环形磁铁盖板3的螺纹孔、所述中端环形磁铁2的螺纹孔，固定在所述中端环形磁铁底板4的螺纹孔内。

所述多层介电弹性体膜弹簧1的外绝缘固定框架上下设置上支撑架11和下支撑架12，并通过第一内六角圆柱头螺栓13、与所述第一内六角圆柱头螺栓13相配合的螺母将所述外绝缘固定框架、所述上支撑架11以及所述下支撑架12固定在一起；所述上支撑架11的上端侧面通过第一内六角圆柱头螺钉14与所述上端环形磁铁固定架8固连；在所述中端环形磁铁底板4下方设置下端环形磁铁固定架15；所述下端环形磁铁固定架15通过第二内六角圆柱头螺钉16与所述下支撑架12的下端侧面固连；所述下端环形磁铁固定架15的底部开口处设置下端环形磁铁底板17，并通过第三内六角圆柱头螺钉18将所述下端环形磁铁固定架15和所述下端环形磁铁底板17固定在一起，且在所述下端环形磁铁固定架15与所述下端环形磁铁底板17之间形成的腔体中放置有下端环形磁铁19。

所述上端环形磁铁盖板10通过第四内六角圆柱头螺钉20与所述线性轴承7固连。

所述中端环形磁铁盖板3、所述多层介电弹性体膜弹簧1的内绝缘固定框架、所述中端环形磁铁底板4通过第二内六角圆柱头螺栓21以及与所述第二内六角圆柱头螺栓21相配合的螺母固结在一起，即所述中端环形磁铁盖板3、内绝缘固定框架、所述中端环形磁铁底板4形成一个腔体，且中端环形磁铁2放置在此腔体内。

所述多层介电弹性体膜弹簧1的中间为凯夫拉纤维夹芯，所述多层介电弹性体膜弹簧的绝缘固定框架由所述外绝缘固定框架和所述内绝缘固定框架组成；在所述凯夫拉纤维夹芯层的上下均设置多个且数量相同的叠层结构，并通过所述外绝缘固定框架和所述内绝缘固定框架将所述凯夫拉纤维夹芯、多个所述叠层结构压紧固定；所述叠层结构从上之下依次包括第一导电电极、介电弹性体膜片以及第二导电电极，即介电弹性体膜片位于所述叠层结构中间层，且所述第一导电电极和所述第二导电电极的极性相反并呈十字形分布。另外，相邻所述叠层结构的电极的极性也相反并且也呈十字形分布，例如第一叠层结构和第二叠层结构相邻，那么第一叠层结构与第二叠层结构相邻的电极的极性也相反并且也呈十字形分布。

所述多层介电弹性体膜弹簧还包括绝缘胶带；所述绝缘胶带设置在所述多层介电弹性体膜弹簧的绝缘固定框架与所述叠层结构之间。

所述介电弹性体膜片为经过预拉伸处理的PDMS膜。所述外绝缘固定框架和所述内绝缘固定框架的材质均为纤维增强复合材料。所述第一导电电极和所述第二导电电极的材料均为载碳硅橡胶。

所述中端环形磁铁2的磁极极性与所述上端环形磁铁9的磁极极性相反，所述中端环形磁铁2的磁极极性与所述下端环形磁铁19的磁极极性相反，例如，上端环形磁铁9上部为S极，上端环形磁铁9下部为N极，中端环形磁铁2上部为S极，中端环形磁铁2下部为N极，下端环形磁铁19上部为S极，下端环形磁铁19下部为N极。

所述中端环形磁铁2、所述上端环形磁铁9以及所述下端环形磁铁19构成磁负刚度机构；所述中端环形磁铁2、所述上端环形磁铁9以及所述下端环形磁铁19均为环形永磁铁，且所述上端环形磁铁9、所述中端环形磁铁2、所述下端环形磁铁19之间的间隔均为15mm。

本发明提供的隔振器内所有零件材料均为非导磁材料。

本发明的隔振方式如下：

当隔振器处于无激励状态时，中端环形磁铁在上端环形磁铁、下端环形磁铁的吸引力作用以及无电流状态的多层介电弹性体膜弹簧支承下达到一个平衡状态；当隔振器的基座受到外界激励时，中端环形磁铁会发生垂直方向上的上下跳动，因此磁负刚度机构产生负刚度(即上端环形磁铁、下端环形磁铁对中端环形磁铁作用力的合力方向和中端环形磁铁的运动方向相同)，此时，多层介电弹性体膜弹簧工作，驱动电压加载在多层介电弹性体膜弹簧的介电弹性体膜两侧的电极上(电极通过薄铜片和外接电源连接)，电流经由外部导线从一个电极流向另一个电极，使得两侧电极带上符号相反的电荷。多层介电弹性体膜弹簧在麦克斯韦应力的作用下产生形变，并在平面方向上拉伸扩展，同时厚度变小。在此过程中，施加的电能转化成为了机械能，即多层介电弹性体膜弹簧提供与之相匹配的正刚度，限制中端环形磁铁的过度位移。

图3为双层介电弹性体膜弹簧的结构示意图，如图3所示，双层介电弹性体膜弹簧包括外绝缘固定框架22、内绝缘固定框架23、绝缘胶带25、4层导电电极24、有2层介电弹性体膜片26，凯夫拉纤维夹芯27。凯夫拉纤维夹芯27位于双层介电弹性体膜弹簧中间，在凯夫拉纤维夹芯27的上端面从下至上依次设置导电电极24、介电弹性体膜片26、导电电极24、绝缘胶带25、固定框架(此处固定框架包括外绝缘固定框架22、内绝缘固定框架23)，在凯夫拉纤维夹芯27的下端面从上至下依次设置导电电极24、介电弹性体膜片26、导电电极24、绝缘胶带25、固定框架(此处固定框架包括外绝缘固定框架22、内绝缘固定框架23)。其中，介电弹性体膜片26和导电电极24交叉分布，且相邻导电电极极性相反并呈如图4所示的十字分布。

本发明采用多层介电弹性体膜相叠加的方式，改变施加在导电电极上的驱动电压，从而使多层介电弹性体膜弹簧所提供的正刚度发生变化，克服了单层介电弹性体膜调控刚度能力有限的缺点，大大提高了刚度可调控的范围，从而实现刚度的调控。

需要注意的一点是，因为磁负刚度机构一般处于一个不稳定的状态，因此在位移范围内需要保证正刚度比负刚度稍大，正负刚度的相互抵消达到准零刚度的状态，从而实现对低频振动的有效隔离。另外，驱动电压不应过高，以防击穿介电弹性体膜。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。