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1、,第十一章 隔振设计,概述,1,2,3,隔振原理,减振器设计,阻尼减振技术,4,5,振动测试技术,概述,1,系统振动特性的三个参数：质量、阻尼和刚度隔振系统中，质量指电子设备的，刚度和阻尼则由支撑结构提供,共振导致很大的加速度，此时减振器起反作用，可用阻尼阻尼也有二重性，大阻尼可降低振幅，过阻尼导致隔振效率降低,隔振器：用于减弱振动和冲击传递的支撑装置，也叫减振器,隔振器设计难点：对干扰频带的适应性干扰频段很窄，或在共振区时间很短，容易设计反之，设计难点的二重性，共振区和非共振区减振器的作用相反,隔振器的弹簧决定刚度，分为承载型和非承载型承载型：提供刚度的同时，还有支撑和平衡的作用非承载型：主
2、要提供弹性恢复力,这里主要是指承载型，以金属弹簧和橡胶两种为主工艺成熟，成本低，适用性强，可靠性高,概述,1,橡胶作减震器的弹性材料，特点：1、取型和制造比较方便，改变内部构造可大幅改变三个方向刚度2、自身阻尼较大，高频振动(50Hz)能量吸收较好，过共振区无需阻尼器3、阻尼比随橡胶硬度变化，长期共振时，蠕变使阻尼失效4、动态载荷的弹性模量大于静态时，比值12，还是频率的函数5、易受环境条件影响，低温-50，高温60，老化显著，易受化学腐蚀,金属弹簧作减震器的弹性材料，特点：1、材料稳定性好，对环境不敏感，抗油污、高低温，不易老化2、动态和静态刚度基本相同，软硬皆可，无蠕变，但有最大应力要求3
3、、自身几乎无阻尼，容易传递高频振动，可能自激振动(150-400Hz), 过共振区时，设备会有大振幅，需另加阻尼器4、设计与计算资料齐备，制造和加工精度高，刚度准确,第十一章 隔振设计,概述,1,2,3,隔振原理,减振器设计,阻尼减振技术,4,5,振动测试技术,2,隔振原理,隔振,最好的办法是消除振源：载具的发动机，电子设备的散热风扇，不现实只能设备与振源隔离，使振动在传递图中减弱甚至消除,根据振源的不同，主动隔振与被动隔振主动：设备本身在振动，将其与基础隔离，振动不传递到基础被动：基础振动，将设备与基础隔离，振动不影响设备,被动隔振,牛顿第二定律得运动方程,传递给设备的激振变成两个，弹簧+阻
4、尼器，且相差90,响应振幅与激励振幅之比：隔振传递率，隔振系数,2,被动隔振,1、频率比,响应振幅小于激励振幅，系统做衰减运动频率升高衰减加剧，阻尼比大衰减降低,隔振原理,2、频率比,响应振幅大于激励振幅，系统发生共振峰值出现在1附近，大阻尼比能抑制峰值,3、频率比,隔振与否的分界点，而与阻尼比无关,隔振效率：,注：以上公式推导的激振为位移表述，当用速度和加速度表示时，可以推出同样的结论,2,主动隔振,隔振原理,运动方程：,传递给设备的激振力变成两个，弹簧+阻尼器，且相差90,系统的稳态响应：,弹簧力：,阻尼力：,其中：,传递率：,具体传递曲线两者完全一致,2,等效阻尼,阻尼对隔振效率有不利影
5、响，周期振源时适用，复杂振源不一定,粘性阻尼是线性的，利于求解，还有很多非线性阻尼，能量等效,稳态响应：,隔振原理,粘性阻尼作功：,振幅越大，阻尼消耗的能力越大,等效阻尼：,非粘性阻尼,流体阻尼：物体以较大速度在较小粘性流体中运动比例常数,结构阻尼：材料自身内摩擦力导致的比例常数,库伦阻尼：固体表面的干摩擦阻尼摩擦系数、摩擦力,2,双层隔振,隔振原理,单层隔振的隔振系数不能取得过小时，可考虑使用双层隔振，也叫二次隔振,有两个隔振系数：,两个的曲线图,r接近0，两个系数均接近1r增大，隔振系数也增加0,ra区间，两个系数均为正r=ra时，一阶共振rra时，系数均为负值r=rb时，二阶共振rrb时
6、，系数趋近于0,进而得出弹簧刚度：,u为质量比，取值0.21,在计算出另一个刚度，有相应公式,第十一章 隔振设计,概述,1,2,3,隔振原理,减振器设计,阻尼减振技术,4,5,振动测试技术,3,减振器设计,减振器的选用原则,设计时主要考虑：1、根据对隔振系统固有频率和减振器刚度要求，决定其形状和几何尺寸2、根据对系统通过共振区的振幅要求，决定阻尼系数或阻尼比3、根据隔振系统所处的环境和使用期限，选取弹性元件和阻尼的材料,一般原则：结构紧凑、材料适宜、形状合理、尺寸尽量小、隔振效率高,需注意的因素：1、载荷特点：结构一般是几何对称的，但设备重心往往偏离几何对称轴，因此减振器不能完全相同2、减振器
7、总刚度应满足隔振系数要求，减振器刚度应对称于系统惯性主轴3、减振器总阻尼要综合考虑通过共振区的振幅要求，也要考虑隔振区的隔振效率,3,主要参数：弹性模量受多因素影响：橡胶种类、硬度、工作温度、形状尺寸、相对变形等,橡胶减振器设计,1、硬度：,减振器设计,肖氏度,不可压缩，泊松比约0.5，是温度函数疲劳现象不显著，30万次无变化,2、温度：,40-55是最佳温度工作范围，温度变化3-5，弹性模量15-20%,3、形状系数：,约束面积与自由面积之比,S不同，弹性模量也不同具体查表、手册,3,橡胶减振器设计,减振器设计,金属弹簧减振器,搞清载荷后查阅机械设计手册,简单形状直接得到复杂形状先分解成简单
8、形状再复合起来,3,设备重心往往偏离几何对称轴,重心和转动惯量,重心：1、计算法，算出每个部件的重心和重量，进而计算整体的重心2、称重法，先称出总重量，分别确定重心的x，y，z坐标,减振器设计,转动惯量：三线悬挂法,重量，三点圆半径回转周期，线长,3,隔振系统的设计,减振器设计,步骤：1、设计资料：设备物理数据，环境条件，减振器资料2、隔振系统的设计：根据结构选择减振器的支撑位置和方式 根据非耦合条件选择减振器支撑的布置方式 根据承受能力选择隔振系统的固有频率 计算弹簧刚度 选择或设计减振器(环境适应性，共振参数) 实验验证,第十一章 隔振设计,概述,1,2,3,隔振原理,减振器设计,阻尼减振
9、技术,4,5,振动测试技术,阻尼减振技术,4,粘弹性材料,电子设备不是理想刚体，减弱的振动仍然可能引起某些部件的共振，特别是无法二次隔振的微小器件,其动态特性：弹性模量，损耗因子,复弹性模量：,损耗因子：粘性材料的正交弹性模型与同相弹性模量之比,图表示振动时材料的能量关系，损耗因子表征阻尼能与最大弹性变形能之比，反映了材料耗散振动能量的能力，阻尼越大，损耗因子越大,目前应用：阻尼材料涂覆或黏贴在振动体上，粘弹性材料作为芯层镶嵌在基层与约束层之间，利用阻尼消耗大量机械振动能,剪切弹性模量：,拉伸损耗因子，剪切损耗因子,4,阻尼减振基本原理,结构阻尼：材料运动中存在内摩擦，结合面之间存在摩擦，导致
10、的阻力,简谐运动时，其幅值=弹性力损耗因子，也是复数，复阻尼,运动方程：,设支撑体的运动为：,阻尼减振技术,质量m的响应：,带入运动方程，解出隔振传递效率,共振时，r=1，共振振幅完全由结构阻尼决定，,加速度响应：,增加阻尼或减小刚度都可抑制加速度,阻尼减振主要指增加自身的结构阻尼基本原理,4,阻尼减振基本原理,阻尼减振技术,结构阻尼：系统阻尼+材料内摩擦阻尼,系统阻尼：结合面之间的摩擦，由高压界面的相对运动引起， 损耗因子0.010.05,材料内摩擦阻尼：材料内耗引起的，损耗因子镁铝10-4， 铅10-3，铸铁10-2,材料内摩擦阻尼过小，难以达到减振的要求，因此需外加阻尼阻尼橡胶，高聚合物
11、材料，损耗因子可达23，共同构成复合材料，金属提供强度、橡胶提供阻尼，综合损耗因子0.10.5,包括两种结构：自由阻尼结构，约束阻尼结构,自由阻尼结构：阻尼材料在结构表面,综合损耗因子与阻尼材料和厚度有关垫高可增加变形导致损耗因子加大,4,阻尼减振基本原理,阻尼减振技术,自由阻尼结构，工艺简单，但受温度影响大，不适合恶劣环境使用,约束阻尼结构：结构+阻尼材料+结构，多的一层即为约束层,基层和约束层提供结构强度，阻尼层吸收振动能量也可根据需要做成多层结构,主要参数为三层结构的厚度和材料,约束阻尼结构的设计,基本设计要点：1、根据使用场合和激振情况，确定预期的减震目标2、确定结构振型，找到应变加大
12、的部位，进行约束阻尼处理3、在结构重量、刚度许可的条件下，尽量采用对称夹心结构4、依据相关公式，进行详细的参数设计,4,阻尼减振的应用,阻尼减振技术,振动和噪声控制的四种处理方法：隔振、阻尼、吸收、封闭,卫星上使用的继电器板将原2.3mm厚的加强筋铝板更换为阻尼结构低密度泡沫垫高的自由阻尼大大降低动力放大因子,4,防振动、冲击的措施,1、消除振源，无法消除时，应想办法减弱振动，例如改善转子偏心率2、结构刚性化，增加结构刚度，提高设备及器件的固有频率与激振频率之比，线缆捆扎，缩短器件引脚3、隔离，激振频率高，增加刚度困难，使用减振器4、去耦，电路板上器件多，各自的固有频率不同，因此共振频率区间较
13、大，封装以后成为一个整体，区间大大减小5、利用阻尼减振技术6、其它,阻尼减振技术,第十一章 隔振设计,概述,1,2,3,隔振原理,减振器设计,阻尼减振技术,4,5,振动测试技术,5,测试目的,理论建立在相对简单的力学模型基础上，与实际问题有一定差距，电子装备结构十分复杂，精确的力学模型难以建立，复杂结构的振动问题一般借助于实验解决。,振动测试技术,通过实验发现暴露结构的薄弱环节，修改和完善结构参数，并检验现有理论的可靠性和适应性。,仪器与设备,工作原理：被测物体振动时，传感器将感受的运动信号转化为电信号，经放大后，通过分析仪器显示,5,传感器,感知和传输运动信号是测量系统的重要环节，传感器是核
14、心装置,振动测试技术,目前广泛使用的是电测传感器，可以将位移、速度、加速度和力等物理量转化为电信号，便于传输、处理和存储,压电式加速度计的工作原理：基座固定于被测物体上，压电元件受到惯性质量块的作用，由于压电效应在两个电极上产生电荷，其大小与受力变形成正比。,位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器，速度-位移，加速度-速度,电感型、电动型、涡流型、压阻型、压电型压电：某些晶体材料在压力作用下会产生电荷，压电效应,压电元件即是传感元件又是弹簧元件，与质量块一起组成“质量-弹簧”传感器,5,传感器,振动测试技术,运动微分方程：,被测体作简谐振动：,质量块m的响应：,力电转换：,电荷输出的幅
15、值正比于被测振动的加速度幅值,5,传感器,振动测试技术,电荷灵敏度与电压灵敏度,输出电量与输入机械量之比，称为灵敏度,压电元件两极间形成电容，则电压为：,电压幅值灵敏度：,两种可选，后接相应的测量仪器,灵敏度是频率的函数，在一定范围内几乎不变(使用范围)，频率上限即传感器的固有频率,横向灵敏度，越小越好，一般为主轴灵敏度的5%，压电材料的不规则导致,重要指标：固有频率 灵敏度,电荷幅值灵敏度压电常数、等效刚度,5,激振设备,振动测试技术,用于模拟振动环境，有振动台和激振器两种，后者是便携设备,机械式振动台：偏心式和离心式,特点：激振频率低、振幅较大、寿命长、成本低，频率范围窄、振动波形差偏心，
16、160Hz，振幅可10mm；离心，1100Hz，振幅10mm,5,激振设备,振动测试技术,用于模拟振动环境，有振动台和激振器两种，后者是便携设备,电动振动台：磁场力作用,特点：1、使用频率宽，10Hz-5000Hz，甚至上万2、输出的加速度波形好，失真在5%以下3、输出推力大，可达20000N4、操作方便，可自动控制5、成本高,是目前振动试验最常用的形式之一，另有电动液压振动台，电动振动台+液压伺服机，推力更大,5,激振设备,振动测试技术,用于模拟振动环境，有振动台和激振器两种，后者是便携设备,激振器：体积小，可灵活选择激振部位，原理与振动台相同，无工作台面,关键是安装方式：1、固定在刚性支架上，激振方向可灵活调整2、利用弹性支撑安装到固定支架上，组成一个新的振动系统3、安装于弹性支架上，可展宽激振器的有效激振频率,冲击试验机用于产生冲击脉冲，波形、冲击时间、持续时间包括：摆锤式和跌落式，分别产生横向和垂直冲击力,激振设备,5,振动测试技术,冲击脉冲的波形：对称脉冲：半正弦，需采用完全回弹的弹性材料，金属弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧非对称脉冲：由不产生回弹的缓冲材料获得半正弦脉冲：必须采用完全线性特性的缓冲体，否则退化为正矢脉冲,冲击面之间，垫弹性缓冲体，以调整加速度、脉冲时间和波形,第十一章结束！,
