一种u型结构大阻尼柔性铰链的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种U型结构大阻尼柔性铰链，包括用于连接柔性机构的第一铰链连接端、第二铰链连接端，还包括连接于所述第一铰链连接端和第二铰链连接端之间的U型结构，所述U型结构相对的两侧内壁上由上至下平行地设置有若干板状约束材料层，相邻约束材料层的一端各自固定在不同侧的内壁上，另一端为自由端，相邻的约束材料层之间填充有粘弹性阻尼材料层。本实用新型之柔性铰链模型，在满足铰链的刚度、转动角度等要求下，可通过外加粘弹性阻尼材料，采用约束性阻尼层设计模式，充分利用阻尼层材料的剪切耗能效应，增加柔性铰链的结构阻尼，实现柔性机构被动减振效果。
【专利说明】
一种U型结构大阻尼柔性铰链
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种将力输入转换成位移输入的具有恢复功能且具有较大结构阻尼的大柔度转动铰链，主要应用于精密传动和精密定位等仪器仪表中。
【背景技术】
[0002]柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。相比于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点:(I)可一体化设计和加工，故可以简化结构、减小体积和重量、免于装配；(2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；(3)免于磨损，提高寿命;(4)免于润滑，避免污染；(5)可增大结构刚度。
[0003]然而，正是因为无间隙无摩擦等特点，柔性铰链的结构阻尼很低，甚至可以忽略不计，这使得机构传动过程中产生的振动响应无法得到抑制。在微纳米甚至微纳米的高精度定位要求之下，机构的应激振动会使得微定位效果受到影响。因此，为了克服这个弱点，本实用新型提出一种大阻尼柔性铰链模型，在满足铰链的刚度、转动角度等要求下，通过外加粘弹性阻尼材料，采用约束性阻尼层设计模式，充分利用阻尼层材料的剪切耗能效应，以增柔性铰链的结构阻尼，实现被动减振效果。
【实用新型内容】
[0004]为了克服现有铰链结构阻尼小，易产生振动，影响定位精度的弱点，本实用新型提出一种大阻尼柔性铰链模型，在满足铰链的刚度、转动角度等要求下，通过外加粘弹性阻尼材料，采用约束性阻尼层设计模式，充分利用阻尼层材料的剪切耗能效应，以增柔性铰链的结构阻尼，实现被动减振效果。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]—种U型结构大阻尼柔性铰链，包括用于连接柔性机构的第一铰链连接端、第二铰链连接端，还包括连接于所述第一铰链连接端和第二铰链连接端之间的U型结构，所述U型结构相对的两侧内壁上由上至下平行地设置有若干板状约束材料层，相邻约束材料层的一端各自固定在不同侧的内壁上，另一端为自由端，相邻的约束材料层之间填充有粘弹性阻尼材料层。
[0007]进一步地，所述的U型结构的两侧内壁上由上至下相对错开地设置有若干用于嵌入安装约束材料层的钳口。
[0008]进一步地，所述钳口与U型结构为一体式结构。
[0009]进一步地，所述的约束材料层的材料为铝合金薄片。
[0010]进一步地，所述粘弹性阻尼材料层的材料为丁基橡胶。
[0011 ]相比现有技术，本实用新型的有益效果是:
[0012](I)能获得具有一定结构阻尼，使应用该铰链的柔性机构自身具有减振抗震能力；
[0013](2)所实用新型柔性铰链的结构阻尼值大小可通过改变结构参数获得，具体是通过改变粘弹性阻尼材料的层数量与层厚度，相应地调整约束材料的层数量。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型实施例1的U型大阻尼柔性铰链主视示意图。
[0015]图2是本实用新型实施例1的U型大阻尼柔性铰链立体示意图。
[0016]图3是本实用新型实施例2的U型大阻尼柔性铰链主视示意图。
[0017]图4是本实用新型实施例2的U型大阻尼柔性铰链立体示意图。
[0018]图中所示为:1.第一铰链连接端，2.粘弹性阻尼材料层，3.约束材料层，4第二铰链连接端，5.钳口，6.U型结构。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。
[0020]实施例1
[0021]如图1及图2所示，一种U型结构大阻尼柔性铰链，包括用于连接柔性机构的第一铰链连接端1、第二铰链连接端4，还包括连接于所述第一铰链连接端I和第二铰链连接端4之间的U型结构6，构成柔性铰链整体模型，板状约束材料层3由上至下平行地设置所述U型结构6相对的两侧内壁上，此时，相邻约束材料层3的一端各自固定在不同侧的内壁上，另一端为自由端，所述的U型结构6的左、右两侧的内壁上分别由上至下相对错开地设置有两个及三个用于嵌入安装约束材料层3的钳口 5，每个钳口 5上装配有一片约束材料3，共五片，相邻的约束材料层3之间填充有粘弹性阻尼材料层2。
[0022]所述钳口5、第一铰链连接端1、第二铰链连接端4、U型结构6为一体式结构，保证了柔性铰链的一体化设计和加工的特点。
[0023]本实施例中，所述的约束材料层3的材料选用铝合金薄片。
[0024]本实施例中，所述粘弹性阻尼材料层2的材料选用丁基橡胶。
[0025]每片约束材料层3之间填充有粘弹性阻尼材料层2，约束材料层3与粘弹性阻尼材料层2靠阻尼材料的粘附力结合在一起。当柔性铰链受外力发生弯曲，将带动相邻的两片约束材料层3向相反的方向移动，因此，填充于约束材料层3之间的粘弹性阻尼材料层2将发生挤压、剪切变形，增大了材料内分子的内摩擦，在一定的频率下将表现出较大的阻尼系数，产生明显的减振效果。
[0026]所述粘弹性阻尼材料层2依靠粘附力与所述约束材料3粘连。每片约束材料层3的一端固接于U型结构6内侧的钳口5内，另一端为自由端。五片约束材料层3交错连接于U型结构6内侧。柔性铰链的第一铰链连接端1、第二铰链连接端4均可作为输入输出端，视所连接机构的实际工作情况而定。当其中一端有力的输入，产生位移输出时，铰链U型结构6发生开口张合，带动约束材料层3发生相对位移，约束材料层3之间填充的粘弹性阻尼材料层2由于粘附力作用，会随着约束材料层3滑移，材料内部产生强烈的剪切效果，根据粘弹性材料产生阻尼效果的机理，柔性机构传动过程中产生的振动能量将会被铰链中的粘弹性材料吸收并转化为热量消散在空气中。
[0027]粘弹性材料是指同时具有粘性流体和弹性固体两方面性质的材料，在工业上和我们的日常生活中有很多具有粘弹性材料的物质，如橡胶、塑料等常见的工业材料还有血液、肌肉等生物材料，而高分子材料粘弹性性质表现的最为明显，如橡胶材料和塑料材料，这是由于其独特的结构所决定的，高分子材料一般来说都是由小分子单元通过共价键形成链状分子，链状分子互相缠绕或通过化学键连接在一起，形成空间三维的网状结构，高分子材料分子量一般都很大，是典型的聚合物，分子之间的相对运动经常发生，内部分子单元也能旋转，在外力作用下，材料发生拉伸、扭转，当外力被撤销后，分子逐步恢复原状，释放外力所做的功，这属于高分子材料的弹性，但由于高分子材料空间独特的网状结构，分子之间发生的滑移、扭转并不能完全复原，材料发生永久性变形，这就是高分子材料的粘性，而这部分能量最终会被转化为热能散发到空气中，这就是高分子材料产生阻尼的原因。借助于粘弹性材料产生阻尼的机理，本实施例采用约束层阻尼结构，即在覆盖于弯曲构件上的粘弹性阻尼材料层2上，另外覆盖一层弹性材料层，即约束材料层3，当铰链发生弯曲转动时，粘弹性阻尼材料层2被迫顺从相邻两边的结构单元的形状，使得阻尼层产生剪切应变，在交变荷载作用下，比起低剪切荷载的单自由层阻尼处理要产生更大的耗散。
[0028]本实施例所述铰链的主体，包含第一铰链连接端1、第二铰链连接端4、U型结构6、U型结构6内侧的钳口5，是由线切割技术一体成型，保证了柔性铰链的一体化设计和加工的特点。
[0029]由于柔顺机构中的压电陶瓷驱动器驱动力大，响应速度快，一旦受到信号激发，容易对柔顺定位平台产生冲击，而柔顺定位平台的结构阻尼很小，欠阻尼系统一旦产生冲击振动，残余振动会持续较长时间。因此本实施例主要用于此类易引起高频颤振的柔顺机构定位平台，一方面作为机构转动关节，另一方面起到抑制平台颤振的作用。
[0030]实施例2
[0031 ]如图3至图4所示，本实施例与实施例1的区别在于:所述的U型结构(6)的左、右两侧的内壁上分别由上至下相对错开地设置有一个及两个用于嵌入安装约束材料层3的钳口5，每个钳口 5上装配有一片约束材料3，共三片，本实施例主要应用于柔顺机构高频颤振程度较低，所需要的结构阻尼值较小的情况下。
[0032]本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种U型结构大阻尼柔性铰链，包括用于连接柔性机构的第一铰链连接端(I)、第二铰链连接端(4)，其特征在于:还包括连接于所述第一铰链连接端(I)和第二铰链连接端(4)之间的U型结构(6)，所述U型结构(6)相对的两侧内壁上由上至下平行地设置有若干板状约束材料层(3)，相邻约束材料层(3)的一端各自固定在不同侧的内壁上，另一端为自由端，相邻的约束材料层(3)之间填充有粘弹性阻尼材料层(2)。2.根据权利要求1所述的一种U型结构大阻尼柔性铰链，其特征在于:所述的U型结构(6)的两侧内壁上由上至下相对错开地设置有若干用于嵌入安装约束材料层3的钳口(5)。3.根据权利要求1所述的一种U型结构大阻尼柔性铰链，其特征在于:所述钳口(5)、第一铰链连接端(I)、第二铰链连接端(4)、U型结构(6)为一体式结构。4.根据权利要求1所述的一种U型结构大阻尼柔性铰链，其特征在于:所述的约束材料层(3)的材料为铝合金薄片。5.根据权利要求1所述的一种U型结构大阻尼柔性铰链，其特征在于:所述粘弹性阻尼材料层(2)的材料为丁基橡胶。
【文档编号】F16C11/12GK205618535SQ201620244665
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】张宪民, 陈桂生, 陈忠
【申请人】华南理工大学