□ 李宇燕 □ 王 煒

1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710032

2.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間光學(xué)研究室 西安 710119

控制機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，減振是一種非常有效的措施。目前常用的減振材料是橡膠，但橡膠材料的彈性、阻尼特性受環(huán)境溫度的影響，散熱系數(shù)小，在交變載荷作用下，容易發(fā)熱并產(chǎn)生熱應(yīng)力疲勞和老化現(xiàn)象，使用頻率范圍窄。因此，必須定期更換，耗費(fèi)大量的人力物力，采用新型的金屬橡膠減振器可以彌補(bǔ)上述橡膠減振器的缺點(diǎn)。所謂金屬橡膠是一種與橡膠類似的金屬制品，它將金屬絲卷成螺旋形，模擬普通橡膠的分子鏈結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)編織，置入所需結(jié)構(gòu)形狀的模具中，加壓成型，并經(jīng)熱處理而成。金屬橡膠結(jié)構(gòu)受交變載荷時(shí)，利用其彈性可以減振，因?yàn)榻饘俳z之間的勾連、摩擦可以增加結(jié)構(gòu)阻尼。它具有不怕高溫和低溫的特點(diǎn)，而且金屬橡膠不易老化，保存期不受限制，因此具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。

金屬橡膠減振器目前還處于起始階段，其外形主要有圓柱形、環(huán)形及球殼形。本文設(shè)計(jì)出了適應(yīng)于無(wú)級(jí)變速器應(yīng)用的球殼形金屬橡膠減振器，該減振器的應(yīng)用有利于減少因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而引起傳動(dòng)部分的振動(dòng)，從而保證了傳動(dòng)精度的要求。無(wú)級(jí)變速器的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)級(jí)變速器的技術(shù)指標(biāo)［2］

1 橡膠減振器與金屬橡膠減振器的對(duì)比分析

橡膠減振器采用阻尼橡膠作為減振和耗能材料，阻尼橡膠內(nèi)耗大，在振動(dòng)過(guò)程中，阻尼材料內(nèi)部分子鏈之間不斷發(fā)生伸縮變形，使內(nèi)部組織的溫度不斷升高，溫度的變化會(huì)引起阻尼材料損耗因子η和彈性模量E的降低，相應(yīng)地引起系統(tǒng)固有頻率下降。而且阻尼橡膠在承受沖擊載荷時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，并局部脫膠、老化。

金屬橡膠減振器采用金屬橡膠材料作為減振材料，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是金屬絲相互交錯(cuò)勾連形成的類似橡膠高分子結(jié)構(gòu)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有類似橡膠的彈塑性性質(zhì)。在受到激勵(lì)力作用時(shí)，由于金屬絲之間的摩擦、滑移、擠壓，可以消耗大量的能量而起到大阻尼黏彈性材料的作用。理論分析和應(yīng)用研究證明，在相同工況下，金屬橡膠減振器的阻尼比可達(dá)0.35，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通橡膠減振器。同時(shí)，它是由金屬絲制成的具有孔狀結(jié)構(gòu)的金屬制品，可以不必考慮蠕變、老化和工作環(huán)境的影響。

參考國(guó)內(nèi)外制作金屬絲網(wǎng)減振器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范，借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究資料，金屬橡膠減振器采用直徑0.05～0.5 mm的金屬絲作為金屬橡膠材料。在無(wú)腐蝕條件下，可以選用彈簧鋼絲；在有腐蝕條件下，為防止材料因?yàn)樯P而失效，可以選用不銹鋼絲來(lái)制作。本文選用鎳鉻合金鋼絲，型號(hào)為1Cr18Ni9Ti，密度ρs＝7.90×103kg/m3， 彈性模量 E0＝198 GPa， 絲線直徑 d＝0.18 mm，金屬絲的螺旋卷直徑ds＝1.7 mm，金屬絲的螺距 h＝1.7 mm［3、4］。

2 金屬橡膠減振系統(tǒng)分析

變速器通過(guò)金屬橡膠減振器放置在剛性基礎(chǔ)上，其振動(dòng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，力學(xué)模型如圖1所示，圖中m為系統(tǒng)的總質(zhì)量，k為金屬橡膠減振器的剛度，c為減振器的阻尼因數(shù)。

根據(jù)機(jī)械設(shè)備減振系數(shù)的參考標(biāo)準(zhǔn)［5］，按照機(jī)器種類來(lái)選取隔振系數(shù)，確定減振效率為0.87，則隔振系數(shù)ηA取值為0.17。

2.1 計(jì)算原始數(shù)據(jù)

▲圖1 金屬橡膠減振系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 計(jì)算減振系統(tǒng)的參數(shù)

減振器剛度［6］：

k＝（0.04～0.16）mω2＝1.97×105～7.89×105N/m

其中：m＝200 kg（其中電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量為 70 kg［7］）。

▲圖2 球殼形金屬橡膠減振器

2.3 減振器的校核

2.3.1 金屬橡膠材料的彈性模量［1，8］

將 E0＝198 GPa、d＝0.18 mm、ds＝1.7 mm、h＝1.7 mm，代入式（1），可得：E1＝9.65 MPa。

給定球殼形金屬橡膠減振器的內(nèi)半徑r＝6 mm，外半徑 R＝13 mm，高度為 L＝20 mm。

可得承載面積為:

由 E1＝α×k 和 α＝L/S，可得:k＝2.0×105N/m，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 固有頻率

3 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

為了適應(yīng)多盤無(wú)級(jí)變速器的工作要求，筆者設(shè)計(jì)了如圖2所示的球殼形金屬橡膠減振器，并對(duì)其性能進(jìn)行了計(jì)算和校核，驗(yàn)證了其合理性和實(shí)用性。

［1］ 李宇燕.金屬橡膠材料的非線性本構(gòu)關(guān)系及系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2006.

［2］ 阮忠唐.機(jī)械無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)與選用指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988：58-62.

［3］ 宋凱.金屬橡膠非線性離散結(jié)構(gòu)單元模型的理論與試驗(yàn)研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2004.

［4］ 劉橋.金屬橡膠材料的非線性特性及其在航天減振器中的應(yīng)用［D］.西安：西安交通大學(xué)，1997.

［5］ 邱宣懷，蔡春源.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［6］ 解蘭昌.精密儀器儀表機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，1996：160-166.

［7］ 吳宗澤，羅圣國(guó).機(jī)械課程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:高等教育出版社，1996：155-157.

［8］ 李宇燕，黃協(xié)清.金屬橡膠材料的非線性剛度［J］.兵工學(xué)報(bào)， 2008，29（7）:819-823.