专利名称：基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器的制作方法
技术领域：
本发明属于超精密测量及加工领域，特别涉及一种基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器。
背景技术：
性能优异的隔振装置是超精密测量及加工的关键技术之一。空气弹簧隔振器具有良好的超低频隔振性能、承载能力高、等效刚度较低、固有频率对载荷变化不敏感、系统容易实现、耗能低等优点，随着超精密测量及加工技术、纳米技术和超大规模集成电路制造技术的发展，空气弹簧隔振器得到了越来越广泛的应用。如光刻机承载所有曝光元件的测量框架的振动隔离。影响隔振性能的主要指标是隔振装置的固有频率和阻尼比，在阻尼的作用下，隔振系统典型的振动传递率如图1所示。由图1可见，在谐振区阻尼对振动有十分显著的抑制作用，在谐振区以外情况正好相反。因此，为了保证他隔振系统的隔振性能，必须根据实际情况合理设置系统阻尼。专利 US20030006540A1 "Self-aligning mechanism for pneumatic vibration isolators”采用单一阻尼孔的阻尼器，为隔振器提供空气节流阻尼，目前典型的空气弹簧隔振器均采用孔径大小固定的节流孔，利用空气节流阻尼为隔振器提供阻尼，如美国TMC、 Newport和日本明立精机的空气弹簧隔振器产品。专利CN1670399 “可调节刚度和阻尼的空气弹簧隔振器”提出利用多个阻尼调节杆分别调节多个狭缝形轴向通孔的尺寸，以实现空气节流阻尼的调节。该发明的阻尼调节结构比较复杂，精度不易保证，另外多个阻尼调节杆分别工作，造成各组轴向通孔的尺寸不能保证一致。无论是采用孔径大小固定的阻尼孔还是尺寸可调的阻尼孔为空气弹簧隔振器提供阻尼，都存在一个明显的原理上的缺陷，既针对超低频、低速度、微位移的微小振动时阻尼孔基本不起作用，因为隔振器存在低速度和微位移的超低频振动时，节流孔两侧的压力差几乎为零，只有极小量的空气流过节流孔，产生的阻尼力几乎为零。综合考虑隔振器在垂直方向存在强振、微振和冲击载荷等情况，上述发明所描述的空气弹簧隔振器的阻尼环节存在明显缺点。
发明内容
为了解决现有空气弹簧隔振器存在的问题，本发明提出一种基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，以满足超精密测量加工及装配调试领域中超低频隔振的需要。针对正倒摆串联机构和现有空气弹簧隔振器的结构特点，本发明提出在外筒内部的节流孔下方安装齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置，在内筒底部安装多层筒形阻尼片，外筒底部注入适量的阻尼油，形成基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器。本发明的目的是这样实现的
一种基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其力学模型如图2所示。所述的空气弹簧隔振器在外筒内部配装内筒，空气弹簧气囊套装在内筒上端外部，外筒通过其上端凸台与空气弹簧气囊下端密封联接，内筒通过其上端固接的环形盖板与空气弹簧气囊上端密封联接，进气孔设置在外筒外壁上，呈圆周排列的一组节流孔设置在外筒内壁上，在外筒下端密封配装圆形底板，支撑杆穿过环形盖板配装在内筒腔内，斜拉钢丝绳的上端与环形盖板固接，斜拉钢丝绳的下端与支撑杆下端固接，斜拉钢丝绳构成单摆机构，承重盘固装在支撑杆上端，钢弹簧安装在内筒底部，活塞与钢弹簧接触配合，柔性铰链的下端配装在活塞上端面上，柔性铰链的上端配装在支撑杆下端，柔性铰链、活塞和钢弹簧构成倒摆机构； 多层筒形阻尼片配装在内筒底部，径向通孔设置在多层筒形阻尼片上端，外筒内侧底部与内筒底部之间注入阻尼油；齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置配装在外筒内壁上的节流孔下方，且与进气孔位于同侧，齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置由挡圈、法兰、齿轮轴座、齿轮轴组成，挡圈可升降地套装在外筒内壁上，法兰固装在外筒内壁上，齿轮轴座安装在法兰上，齿轮轴的齿轮部位与齿轮轴座的齿条部位啮合，齿轮轴的里端部可旋转地配装在挡圈的孔内。本发明具有以下特点和良好效果1.本发明提出在内筒底部安装多层筒形阻尼片，外筒底部注入适量的阻尼油，利用液体粘滞阻尼和多层筒形阻尼片相对于外筒的往复运动，为隔振器提供阻尼，选用不同粘度的阻尼油获得不同的液体粘滞阻尼，在垂直方向存在强振、微振和冲击载荷的情况下均能提供最佳大小的空气节流阻尼，克服了单个或多个阻尼孔在低速度和微位移的超低频振动情况下无法提供合适大小的阻尼力的缺点。多层筒形阻尼片输出的粘滞阻尼力fd取决于以下因素，如下式所示。fd = cva式中c为阻尼系数，与接触面积正相关；ν为相对速度；α为速度指数。当来自环境的垂直振动传递到内筒，引起多层筒形阻尼片的垂直振动，多层筒形阻尼片与外筒底部的阻尼油发生相对运动，为空气弹簧隔振器提供液体粘滞阻尼，筒形阻尼片采用多层结构有利于在有限空间内增大阻尼油与筒形阻尼片的接触面积，从而保证在低速度和微位移情况下仍然能够输出足够大的阻尼力。2.利用空气节流阻尼和节流孔面积调节装置，合理调节节流孔总面积的大小，在垂直方向存在强振和冲击载荷的情况下提供最佳大小的阻尼，节流孔面积调节装置可以大小一致地同时调节所有节流孔的尺寸，克服了现有专利阻尼调节装置分别调节，以至于调节不一致的缺点。3.本发明提出呈圆周排列的一组节流孔设置在外筒内壁上，在外筒内部的节流孔下方安装齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置，这种阻尼孔设置方式充分考虑了基于正倒摆串联机构的空气弹簧隔振器的结构特点，使得整个隔振器结构更加紧凑合理。
图1为隔振系统典型的振动传递率曲线图；图2为基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器的力学模型示意图；图3为基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器的剖面示意图4为基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器的3D剖面示意图；图5为齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置的3D剖面示意图；图6为多层筒形阻尼片的3D剖面示意图。图中1.承重盘；2.环形盖板；3.支撑杆；4.斜拉钢丝绳；5.空气弹簧气囊；6.内筒；7.外筒；8.柔性铰链；9.活塞；10.节流孔；11.齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置；Ila.挡圈；lib.法兰；lie.齿轮轴座；lid.齿轮轴；12.钢弹簧；13.进气口 ； 14.圆形底板；15.阻尼油；16.多层筒形阻尼片；17.径向通孔。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，如图3、图4、图5和图6所示，显示了本发明所述的空气弹簧隔振器的一个实施例。所述空气弹簧隔振器在外筒7内部配装内筒6，空气弹簧气囊5套装在内筒6上端外部，外筒7通过其上端凸台与空气弹簧气囊5下端密封联接，内筒6通过其上端固接的环形盖板2与空气弹簧气囊5上端密封联接，进气孔13设置在外筒7外壁上，呈圆周排列的一组节流孔10设置在外筒7内壁上，在外筒7下端密封配装圆形底板14，支撑杆3穿过环形盖板2配装在内筒6腔内，斜拉钢丝绳4的上端与环形盖板2固接，斜拉钢丝绳4的下端与支撑杆3下端固接，斜拉钢丝绳4构成单摆机构，承重盘1固装在支撑杆3上端，钢弹簧12安装在内筒6底部，活塞9与钢弹簧12接触配合，柔性铰链8的下端配装在活塞9上端面上，柔性铰链8的上端配装在支撑杆3下端，柔性铰链8、活塞9和钢弹簧12构成倒摆机构；多层筒形阻尼片16配装在内筒6底部，径向通孔17设置在多层筒形阻尼片16上端， 外筒7内侧底部与内筒6底部之间注入阻尼油15 ；齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置11 配装在外筒7内壁上的节流孔10下方，且与进气孔13位于同侧，齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置11由挡圈11a、法兰lib、齿轮轴座11c、齿轮轴Ild组成，挡圈Ila可升降地套装在外筒7内壁上，法兰lib固装在外筒7内壁上，齿轮轴座Ilc安装在法兰lib上，齿轮轴Ild的齿轮部位与齿轮轴座Ilc的齿条部位啮合，齿轮轴Ild的里端部可旋转地配装在挡圈Ila的孔内。所述的多层筒形阻尼片16的层数是1层至30层。所述的阻尼油15的40°C运动粘度的范围是10mm7S-70mm7S。所述的斜拉钢丝绳4的根数是3根至50根，且均布。所述的斜拉钢丝绳4与铅垂线夹角的范围为0°至30°。所述的斜拉钢丝绳4是圆股、异型股或多股不扭转的有机芯钢丝绳、纤维芯钢丝绳、石棉芯钢丝绳、钢丝芯钢丝绳。所述的节流孔10的孔数是2个至100个，且呈圆周均布。所述的钢弹簧12是螺旋弹簧、圆锥弹簧、蝶形弹簧或橡胶弹簧。分析来自环境的振动，按照振动方向可以分为垂直振动和水平振动。水平振动先后通过外筒7、空气弹簧气囊5、内筒6、正倒摆串联机构(斜拉钢丝绳4、柔性铰链8、活塞9 和钢弹簧12组成)和支撑杆3，作用于承重盘1上，除了正倒摆串联机构，其他环节近似为刚性体，因此水平振动不能引起内筒6相对于外筒7的运动，节流孔10和多层筒形阻尼片 16对水平振动不起阻尼作用；垂直振动先后通过外筒7、空气弹簧气囊5、内筒6、斜拉钢丝
5绳4和支撑杆3，作用于承重盘1上，除了空气弹簧气囊5，其他环节近似为刚性体，柔性铰链8、活塞9和钢弹簧12组成的倒摆在垂直方向上只起到辅助支撑的作用，因此垂直振动能够引起内筒6相对于外筒7的往复运动，内外腔室的空气通过节流孔10进出，为垂直振动提供空气节流阻尼，多层筒形阻尼片16随着内筒6相对于外筒7的往复运动，与外筒7底部的阻尼油15发生相对运动，从而为垂直振动提供液体粘滞阻尼。
权利要求
1.一种基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，在外筒(7)内部配装内筒(6)，空气弹簧气囊( 套装在内筒(6)上端外部，外筒(7)通过其上端凸台与空气弹簧气囊(5) 下端密封联接，内筒(6)通过其上端固接的环形盖板( 与空气弹簧气囊( 上端密封联接，进气孔(13)设置在外筒(7)外壁上，呈圆周排列的一组节流孔(10)设置在外筒(7)内壁上，在外筒(7)下端密封配装圆形底板(14)，支撑杆C3)穿过环形盖板( 配装在内筒 (6)腔内，斜拉钢丝绳⑷的上端与环形盖板(2)固接，斜拉钢丝绳⑷的下端与支撑杆(3) 下端固接，斜拉钢丝绳⑷构成单摆机构，承重盘⑴固装在支撑杆⑶上端，钢弹簧(12) 安装在内筒(6)底部，活塞(9)与钢弹簧(1 接触配合，柔性铰链(8)的下端配装在活塞 (9)上端面上，柔性铰链⑶的上端配装在支撑杆(3)下端，柔性铰链(8)、活塞(9)和钢弹簧(12)构成倒摆机构，所述空气弹簧隔振器的特征在于多层筒形阻尼片(16)配装在内筒 (6)底部，径向通孔(17)设置在多层筒形阻尼片(16)上端，外筒(7)内侧底部与内筒(6) 底部之间注入阻尼油(1 ；齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置(11)配装在外筒(7)内壁上的节流孔(10)下方，且与进气孔(1 位于同侧，齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置(11)由挡圈(11a)、法兰(lib)、齿轮轴座(lie)、齿轮轴(Ild)组成，挡圈(Ila)可升降地套装在外筒(7)内壁上，法兰(lib)固装在外筒(7)内壁上，齿轮轴座(Ilc)安装在法兰 (lib)上，齿轮轴(Ild)的齿轮部位与齿轮轴座(Ilc)的齿条部位啮合，齿轮轴(Ild)的里端部可旋转地配装在挡圈(Ila)的孔内。
2.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的多层筒形阻尼片(16)的层数是1层至30层。
3.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的阻尼油(15)的40°C运动粘度的范围是10mm7S-70mm7S。
4.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的斜拉钢丝绳的根数是3根至50根，且均布。
5.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的斜拉钢丝绳(4)与铅垂线夹角的范围为0°至30°。
6.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的斜拉钢丝绳(4)是圆股、异型股或多股不扭转的有机芯钢丝绳、纤维芯钢丝绳、石棉芯钢丝绳、钢丝芯钢丝绳。
7.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的节流孔(10)的孔数是2个至100个，且呈圆周均布。
8.根据权利要求1所述的基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器，其特征在于 所述的钢弹簧(1 是螺旋弹簧、圆锥弹簧、蝶形弹簧或橡胶弹簧。
全文摘要
基于气-液阻尼耦合作用的空气弹簧隔振器属于超精密测量及加工领域。所述隔振器的多层筒形阻尼片配装在内筒底部，径向通孔设置在多层筒形阻尼片上端，外筒内侧底部与内筒底部之间注入阻尼油，齿轮齿条传动的节流孔面积调节装置配装在外筒内壁上的节流孔下方。利用空气节流阻尼和节流孔面积调节装置，合理调节节流孔总面积的大小，在垂直方向存在强振和冲击载荷时能提供最佳大小的阻尼；利用液体粘滞阻尼和多层筒形阻尼片相对于外筒的往复运动，为隔振器提供阻尼，通过选用不同粘度的阻尼油获得不同的粘滞阻尼，在垂直方向存在强振、微振和冲击载荷时能提供最佳大小的阻尼。
文档编号F16F9/50GK102330782SQ20101056436
公开日2012年1月25日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者夏超, 杨文国, 王雷, 谭久彬, 闻荣伟 申请人:哈尔滨工业大学