CN100408910C - 可变刚度支撑件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度支撑件。该可变刚度支撑件具有一支撑外壳，支撑外壳被用来调节一内部弹性体组件的朝向。支撑外壳包括一调节机构，弹性体组件包括：围绕弹性材料的一外环；被埋置在弹性材料中的一中心轴衬；以及多个垫片，这些垫片以平行平面的方式被埋置在弹性材料中。

Description

可变刚度支撑件

技术领域

本发明涉及对结构接合点和连接处的振动进行减弱和隔离的装置。

背景技术

机械振动是一个术语，是指由作用在一动态系统上，即，由作用在质量块和弹性元件系统上的波动力所引起的振荡移动。在某些情况下，这些移动会变得过度，从而造成系统的使用寿命缩短、功能异常，还有可能造成系统故障。这对于飞行器，更具体地是对于旋翼飞机结构来说尤其重要，因为这种结构发生故障会导致生命或飞行器的丧失。在这些结构内的过度振动还会导致乘客或机组人员不舒服或恶心，从而有损飞行器的安全操作。在这个以及其它的应用方面，有效地控制振动是非常重要的。

关键感兴趣的问题是共振条件，在共振条件下，质量块和弹性元件在固有频率或固有频率附近发生振动。参照图1A和1B，图1A表示出了能发生共振的一个简单的动态系统11，图1B表示出了一个曲线图。如图所示，一质量块13由一弹簧15和一减振器19，弹簧15和减振器19与一移动的支撑件17相连接。支撑件17的移动是沿着竖直方向振荡的。对于这个系统，固有频率只是指这样一个频率，即在这个频率，如果在支撑件17不移动的情况下，使质量块13移位并且将其放开，那么该质量块13就会发生振荡。当支撑件17移动时，质量块13相对于支撑件17造成的振动取决于支撑件17的振幅和频率。如果支撑件移动的驱动频率f变得等于该系统的固有频率fn，那么，就会发生共振，这样对于被少许减振的系统来说，就会导致质量块13产生很大的移动。对于许多的部件和结构，这是很典型的情况，在图1B中的曲线21也表示出了这种情况，在图1B中，当f/fn＝1时，质量块13的移动距离X与支撑件17的移动距离y的比值达到最大。

通常，对于动态系统而言，共振条件是不利的，它有可能造成损坏，并且也是应当被避免的。通过控制驱动频率f和/或固有频率fn，或者通过采用足够的减振措施，就能避免共振。对于许多系统，例如直升机，驱动频率f几乎保持固定不变，即，旋翼保持在固定不变的RPM，因此，难以在没有增加重量的情况下来实现足够的减振。因此，为了避免共振，就需要控制系统的固有频率fn，使得固有频率fn永不会等于驱动频率f。这可以通过改变系统的质量或刚度特性来实现。由于质量通常是固定的，因此只能保持调节系统的刚度。

图1A和1B所示的简单模型可以被延伸到具有多个质量块和刚度元件的更为复杂的系统，例如，直升机或倾斜旋翼机身。对于这些系统，从与分配的质量相结合的振动旋翼的多个驱动频率和机身的刚度会在控制振动过程中产生复杂的问题。在历史上，已通过把这种结构与振动部件即旋翼、吊架等隔离开，和/或通过把这种结构做得非常刚硬，从而使系统的固有频率保持大于系统中任何驱动频率，从而解决了控制振动的问题。这些频率隔离方法虽然很简单，但是只有在向机身结构增加很大的重量的情况下才能实施这些方法。

目前对现有技术进行改进的尝试包括研发动态特定的机身结构，这些动态特定的机身结构是“适应性的”，或者能根据需要来改变这些动态特定的机身结构的动态特性。通过改变这些结构的刚度特性，这些结构就能对它们自身进行“去谐”(de-tune)，使它们自身不会产生不利的共振条件，从而可使刚度减小，也能使这些结构变得更轻。

在没有有效和实用的手段来改变动态系统中弹性元件刚度的情况下，通常通过把振动部件隔离开来控制振动。从广义上说，隔离简单地是意味着允许振动部件尽可能独立地移动，并且减小被传递到其它系统上的作用力。这种振动控制类型通常利用柔性元件来支撑或连接振动部件来实现的。应用在直升机上，通过利用作为弹簧的弹性支撑件来支撑着机身并与振动旋翼和吊架分开的方法来实现振动控制是一般的方法。

图2A和2B中表示出了一个简单的直升机动态系统20的模型。如图所示，旋翼/吊架23由一弹簧25和一减振器29支撑着，弹簧25和减振器29与一机身27相连接。图2B中的曲线31表示出了系统20的频率响应。如曲线31的远右方所示，当固有频率fn远小于旋翼/吊架23的移动频率f时，机身27的移动距离X与旋翼/吊架23的移动距离Y的比值变小。在这个系统中，弹簧25越软，固有频率fn和对应的机身27的移动距离X就越小。至于振动隔离，在这种应用中，任何支撑件都应尽可能软。然而，如果弹簧25太软，当旋翼荷载变化时就会产生过度偏斜。

在授予Cresap等人的美国专利US4362281中，依据的也是这个原理，并且采用了一柔软弹性支撑件，以便在稳定飞行条件期间隔离振动的旋翼/吊架。在改变飞行条件期间，为了防止过度偏斜和旋翼推力的变化，连接一些机械止动件，以便在过渡条件期间“探明”(bottom out)和限制移动使移动达到最小。这样，在Cresap等人所发明的系统中，在吊架移动的限制范围，系统刚度从相当软变到实际上非常硬。

在某些动态直升机系统中，在直升机旋翼/吊架和机身之间，动态部件本身被用作支撑件。动态抗共振的振动隔离(DAVI)就是这种措施的一个例子。图3中表示出了动态抗共振的振动隔离(DAVI)系统41的一个简单的模型。在这种动态抗共振的振动隔离系统41中，利用一弹性元件47把一机身43与一旋翼/吊架45相连接，所说的弹性元件47与一杠杆51上的配重49平行。能够对配重49和杠杆51的机械上的优点进行调节，使得当旋翼/吊架45在一特定频率振荡时，通过一杠杆支点53和弹性元件47作用在机身43上的惯性力和弹力大小相等方向相反，从而在理论上，没有净力作用在机身上。

在授予Manfredotti的美国专利US6247684和授予Halwes的美国专利US4365771中所公开的装置，就是基于这种动态抗共振的振动隔离(DAVI)原理。

Manfredotti公开了一种动态部件，这种动态部件被用作直升机旋翼/吊架和机身之间的一支撑件，Halwes公开了一种液体惯性振动隔离件。在这些装置中，作用在结构上的净力被减小了，从而限制了振动。然而，这些装置只是在一个窄的工作频率带内有效，而且当旋翼每分钟转速、飞行条件或工作条件发生变化时，不能提供适当的隔离。

在授予Griffin等人的美国专利US6000660中所描述的旋转梁可变刚度翼梁中，公开了一种可变刚度元件，这种可变刚度元件用于动态适应的机身结构。在Griffin等人的装置中，翼梁是非矩形梁，根据梁的朝向和荷载而具有不同的弯曲刚度。当机翼被转动时，机翼的刚度和动态特性能被改变。Griffin等人的装置是非常大而且非常重，从而难以应用，只有在很少几个位置能适用。

尽管上述设计在振动隔离和控制方面具有相当多的优点，但是仍然存在许多缺陷。

发明内容

需要有一种结构紧凑、重量轻的振动控制装置，这种振动控制装置能有效地改变动态系统内在不同结构连接处的刚度，从而能调节系统内的各种固有频率，以便适时防止产生不利的共振动情况。

因此，本发明的目的是提供一种结构紧凑重量轻的振动控制装置，这种振动控制装置能在动态系统内的不同的结构连接处提供不同的刚度，从而也就提供了一种用于改变系统固有频率以及改变对作用力的响应的简单方法。

通过提供一可变刚度的支撑件可达到上述目的，这种支撑件具有一支撑外壳，该支撑外壳的构成用于调节其内部弹性体组件的朝向。在优选的实施例中，支撑外壳包括一蜗轮组件，弹性体组件包括：一外环，该外环环绕着一弹性材料；一被埋置在弹性材料中的中央轴衬；以及多个垫片，这些垫片以平行平面的方式被埋置在弹性材料中。

本发明提供一种可变刚度支撑件，包括：一外壳；一可转动地由外壳携带的弹性体组件，该弹性体组件在至少两个方向上具有不同的刚度；一调节机构，用于调节弹性体组件相对于外壳的朝向。

本发明还提供一种可变刚度支撑件，包括：一外壳；至少两个可转动地由外壳携带的配置的弹性体组件，每个弹性体组件在至少两个方向上具有不同的刚度；一调节机构，用于反向转动弹性体组件，并调节弹性体组件相对于外壳的朝向。

本发明提供一种底板安装系统，包括：一底板元件；一与所述底板元件相邻的机身构件；上述任何一种可变刚度支撑件的排列，被设置在所述构件和所述底板元件之间，并且与所述构件和所述底板元件相连接；和一与每个可变刚度支撑件电导连接的控制系统，用于选择性地改变每个可变刚度支撑件的刚度。

优选地，每个可变刚度支撑件包括：一外壳；一可转动地由外壳携带的弹性体组件，该弹性体组件在至少两个方向上具有不同的刚度；一调节机构，用于调节弹性体组件相对于外壳的朝向。

优选地，弹性体组件包括：一外环形外壳；一被设置在外环形外壳内的弹性材料；一被设置在弹性材料的中央的轴衬；被设置在弹性材料内的多个垫片，该垫片与轴衬的对置侧面对准平行。

优选地，外环形外壳具有一环形外周表面和一内表面，内表面具有弦表面，这些弦表面与轴衬的对置侧面以及垫片对准。

优选地，调节机构是一齿轮组件，包括：一齿轮马达；一与齿轮马达相连接的蜗轮；和一与蜗轮啮合连接的外齿轮，该外齿轮与弹性体组件相连接；其中，驱动齿轮马达使弹性体组件转动，从而在选择方向上改变弹性体组件的刚度。

优选地，上述控制系统包括：一随机优化方法。

优选地，随机优化方法是一种遗传算法。

优选地，随机优化方法是一种模拟退火方法。

优选地，上述控制系统包括一神经网络。

优选地，底板安装系统还包括：一被放置在底板元件上的货物；其中，控制系统把货物的质量与局部可变刚度相关联起来，以便预先排除共振问题。

本发明具有许多显著的优点和长处，包括：(1)能调节动态系统或结构的刚度特性；(2)根据装置的方位朝向，可以显著地改变刚度，从而为不同的荷载状况提供大范围的调节；(3)由于减小了振动，从而也就减少了部件磨损；(4)它提供了一种重量轻和简单的方法用于改变结构内关键部位处的结构刚度；(5)刚度在整个调节范围内能连续改变，并不只在部件的范围内；(6)这种系统并不仅仅平衡惯性力和弹力。

附图说明

图1A是一个简单动态系统的示意图；

图1B是图1A中动态系统的频率响应的一曲线图；

图2A是直升机的简单动态系统的一示意图；

图2B是图2A中动态系统的频率响应的一曲线图；

图3是Kaman动态抗共振的振动隔离件的示意图；

图4是根据本发明的一可变刚度支撑件的一顶视图；

图5是沿着图4中V-V线的可变刚度支撑件的局部剖面图；

图6是图4中可变刚度支撑件的弹性体组件的一前视图；

图7是图6中的弹性体组件的一顶视图；

图8是利用了多个图4中的可变刚度支撑件的适合刚度底板安装应用的示意图；

图9是根据本发明的可变刚度支撑件的另一实施例的一顶视图；

图10是沿着图9中X-X线的可变刚度支撑件的局部剖面图。

具体实施方式

现在参照图4和图5，图中表示出了根据本发明的一可变刚度支撑件111。可变刚度支撑件111用于通过对一系统的刚度进行调节来控制该系统的固有频率从而避免共振。可变刚度支撑件111起到一可变刚度弹簧的作用。可变刚度支撑件111以这样一种方式来构造，即根据相对于施加荷载或偏斜方向的弹性体组件的朝向来提供不同的刚度。当被用于动态系统时，本发明就提供了一简单的用于改变该系统固有频率以及响应施加谐波力的方法。这就允许选择性地“调谐”一系统离开共振状态，在此振动和作用力都很大且具有潜在的破坏性。这样，可变刚度支撑件111尤其适合于在结构接合点和连接处提供可变的刚度。

可变刚度支撑件111包括一支撑外壳113，该支撑外壳113的构成用于调节一内部弹性体组件115的角度朝向。在优选的实施例中，支撑外壳113容纳一调节机构117，该调节机构用于沿着箭头A的方向围绕一中心轴线114(见图7)来调节弹性体组件115的角度朝向。在优选实施例中，调节机构117是一蜗轮组件123，该蜗轮组件具有：一蜗杆119，由一齿轮马达121来驱动；一外齿轮123，与弹性体组件115相连接，该外齿轮与蜗杆119相啮合，并且由蜗杆119驱动。例如，通过飞机驾驶员座舱中的飞行员对齿轮马达121进行远程控制和驱动。

参照图6和图7，图中表示出了弹性体组件115。弹性体组件115包括一外部环形外壳151，该环形外壳151环绕着一弹性材料153。一中间轴衬155被埋置在弹性材料153中，该中间轴衬155具有一中心孔157。优选地是，轴衬155具有大致呈圆角的方形或矩形横断面。轴衬155还可以被伸长带圆角端部，如图8所示。多个薄的刚性垫片159以平行平面的方式在轴衬155的两侧被埋置在弹性材料153内。优选地是，垫片159被布置成与轴衬155的对置侧面对准平行。在优选实施例中，除了与轴衬155和垫片159对准平行的两个对置的内部弦表面161以外，外部环形外壳151的内表面呈圆环形。轴衬155、垫片159和弦表面161的这种平行层叠结构使得在箭头B所示方向上的具有相当高的刚度，在箭头C所示方向上具有相当低的刚度。

在运作过程中，齿轮马达121向前和反向驱动，使弹性体组件115转动，从而改变弹性体组件115的朝向。弹性体组件115的朝向的改变，使得可变刚度支撑件在箭头B和C方向上的刚度发生改变。这样，可变刚度支撑件111提供了调节动态系统或结构的刚度特性的能力。

参照图8，图中表示出了特别适合采用可变刚度支撑件111的一种应用。在这种应用中，多个可变刚度支撑件211被安装在飞机货舱203的货物承载底板201的下面，从而形成适合的刚度底板。这些可变刚度支撑件211形成一相互连接的分布排列结构，该分布排列结构由一控制系统209来驱动和控制。控制系统209和可变刚度支撑件211能够选择性地改变货物承载底板201和一相邻的机身构件205之间的刚度。货物质量207与局部可变刚度相关联，以便排除共振问题。这样，可变刚度支撑件211提供去谐机身使其离开有害的共振状态的能力。

根据改变弹性体组件215的朝向，就可以使刚度发生显著的改变。从而对可变荷载状态提供宽范围的调节。由于未采用机械止动件，因此，并不只在某些部件的范围内，而是在整个调节范围内可变刚度支撑件211的刚度是连续可变的。

控制系统209包括：神经网络或随机优化方法，例如遗传算法。在优选实施例中，采用被称作“模拟退火”的算法。模拟退火是一种类似于遗传算法的随机优化方法；但是，与遗传算法不一样，模拟退火采用单一方案，该单一方案“途经”过设计空间，并“学习”目标函数的拓扑结构。通过这种方式，可变刚度支撑件211就可以减小振动和重量，增大净载重量和范围，并且因减小了振动而减小了部件的磨损。应当知道，适合刚度底板的构思可以被用于宽范围的货物运输应用场合，并不只局限于运货飞机。

参照图9和图10，图中表示出了本发明的可变刚度支撑件的另一个实施例。在这个实施例中，可变刚度支撑件301包括两个配置的反向转动的弹性体组件303a和303b。优选地是，弹性体组件303a和303b的形状相同，并且起到弹性体组件115的作用。可变刚度支撑件301包括一支撑外壳313，该支撑外壳313的构形用于调节弹性体组件303a和303b的角度朝向。在这个实施例中，优选地是，支撑外壳313容纳一调节机构317，该调节机构317用于在D和E方向上调节围绕各个中心轴314a和314b的弹性体组件303a和303b的角度朝向。

在这个实施例中，优选地是，调节机构317是一蜗轮组件，该蜗轮组件具有：一蜗杆319，该蜗杆由一齿轮马达321驱动；外齿轮323a和323b，该外齿轮323a和323b分别与弹性体组件303a和303b相连接。外齿轮323a和323b的构形使其与蜗杆319相啮合并且由该蜗杆319同时驱动。例如，利用飞机的驾驶员座舱中的飞行员来远程控制和驱动齿轮马达121。此外，优选地是，调节机构317被构造成使得弹性体组件303a和303b反向转动，即，沿着相反方向转动。

这种结构的一个优点在于：当两个弹性体组件303a和303b被连接到一支撑结构(图中未示)上的一公共位置时，来自每个弹性体组件303a，303b的侧向荷载被就地消除，并且没有最终的净力被引入到该结构内。这种情况在弹性体组件303a和303b的朝向并不完全垂直时就能发生。可变刚度支撑件301还提供了更高的容量。

很显然，所描述和图示的发明具有显著的优点。虽然只是用了有限数量的结构形式来表示出了本发明，但是，本发明并不局限于这些结构形式，在不脱离本发明的构思的情况下，还可以对本发明进行修改，作出各种改变和变型。

Claims (18)

1. 一种可变刚度支撑件，包括：

一外壳；

一可转动地由外壳携带的弹性体组件，该弹性体组件在至少两个方向上具有不同的刚度；

一调节机构，用于调节弹性体组件相对于外壳的朝向。

2. 根据权利要求1所述的可变刚度支撑件，其中，弹性体组件包括：

一外环形外壳；

一被设置在外环形外壳内的弹性材料；

一被设置在弹性材料的中央的轴衬；

被设置在弹性材料内的多个垫片，该垫片与轴衬的对置侧面对准平行。

3. 根据权利要求2所述的可变刚度支撑件，其中，外环形外壳具有一环形外周表面和一内表面，内表面具有弦表面，这些弦表面与轴衬的对置侧面以及垫片对准。

4. 根据权利要求1所述的可变刚度支撑件，其中，调节机构是一齿轮组件，包括：

一齿轮马达；

一与齿轮马达相连接的蜗轮；

一与蜗轮啮合连接的外齿轮，该外齿轮与弹性体组件相连接；

其中，驱动齿轮马达使弹性体组件转动，从而在选择方向上改变弹性体组件的刚度。

5. 一种可变刚度支撑件，包括：

一外壳；

至少两个可转动地由外壳携带的配置的弹性体组件，每个弹性体组件在至少两个方向上具有不同的刚度；

一调节机构，用于反向转动弹性体组件，并调节弹性体组件相对于外壳的朝向。

6. 根据权利要求5所述的可变刚度支撑件，其中，每个弹性体组件包括：

一外环形外壳；

一被设置在外环形外壳内的弹性材料；

一被设置在弹性材料的中央的轴衬；

被设置在弹性材料内的多个垫片，该垫片与轴衬的对置侧面对准平行。

7. 根据权利要求6所述的可变刚度支撑件，其中，外环形外壳具有一环形外周表面和一内表面，内表面具有弦表面，这些弦表面与轴衬的对置侧面以及垫片对准。

8. 根据权利要求5所述的可变刚度支撑件，其中，调节机构是一齿轮组件，包括：

一齿轮马达；

一与齿轮马达相连接的蜗轮；

一与每个弹性体组件啮合连接的外齿轮，每个外齿轮与蜗轮啮合连接；

其中，驱动齿轮马达使弹性体组件反向转动，从而在选择方向上改变弹性体组件的刚度。

9. 一种底板安装系统，包括：

一底板元件；

一与所述底板元件相邻的机身构件；

一根据权利要求1或5的可变刚度支撑件的排列，被设置在所述构件和所述底板元件之间，并且与所述构件和所述底板元件相连接；和

一与每个可变刚度支撑件电导连接的控制系统，用于选择性地改变每个可变刚度支撑件的刚度。

10. 根据权利要求9所述的底板安装系统，其中，每个可变刚度支撑件包括：

一外壳；

一可转动地由外壳携带的弹性体组件，该弹性体组件在至少两个方向上具有不同的刚度；

一调节机构，用于调节弹性体组件相对于外壳的朝向。

11. 根据权利要求10所述的底板安装系统，其中，弹性体组件包括：

一外环形外壳；

一被设置在外环形外壳内的弹性材料；

一被设置在弹性材料的中央的轴衬；

被设置在弹性材料内的多个垫片，该垫片与轴衬的对置侧面对准平行。

12. 根据权利要求11所述的底板安装系统，其中，外环形外壳具有一环形外周表面和一内表面，内表面具有弦表面，这些弦表面与轴衬的对置侧面以及垫片对准。

13. 根据权利要求10所述的底板安装系统，其中，调节机构是一齿轮组件，包括：

一齿轮马达；

一与齿轮马达相连接的蜗轮；和

一与蜗轮啮合连接的外齿轮，该外齿轮与弹性体组件相连接；

其中，驱动齿轮马达使弹性体组件转动，从而在选择方向上改变弹性体组件的刚度。

14. 根据权利要求9所述的底板安装系统，其中，控制系统包括：一随机优化方法。

15. 根据权利要求14所述的底板安装系统，其中，随机优化方法是一种遗传算法。

16. 根据权利要求14所述的底板安装系统，其中，随机优化方法是一种模拟退火方法。

17. 根据权利要求9所述的底板安装系统，其中，控制系统包括一神经网络。

18、 根据权利要求9所述的底板安装系统，还包括：

一被放置在底板元件上的货物；

其中，控制系统把货物的质量与局部可变刚度相关联起来，以便预先排除共振问题。

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