第十一章隔振

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。
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
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、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
1
概述
2
隔振原理
3
减振器设计
4
阻尼减振技术
5
振动测试技术
1
概述
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
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
2
隔振原理
主动隔振
运动方程：
m&z& cz& kz U sin pt
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：
z Asin pt
弹簧力： 阻尼力：
kz kAsin pt cz& cApcos pt
其中：
A
As
1 2 2 2D 2
传递率：
U0
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
阻尼减振技术
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
5
振动测试技术
传感器
运动微分方程：
m&x& cx& kx mu&&
被测体作简谐振动：
u u0 sin pt
质量块m的响应：
x X sin pt
X
p 2 u0
1
p
2
2Dp
2
力—电转换：
Q
dk0 2
A
1
p
2
2Dp
2
arctan 2Dp
1 p
2
电荷输出的幅值正比于 被测振动的加速度幅值
转动惯量：三线悬挂法
I
mr 2T 2
4 2l
重量，三点圆半径 回转周期，线长
3
减振器设计
隔振系统的设计
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
等效阻尼：
ce
We
pB2
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 库伦阻尼：固体表面的干
擦力导致的
摩擦阻尼
比例常数
摩擦系数、摩擦力
ce
We
pB2
8 pB 3
ce
We
pB2
p
ce
We
pB2
4N pB
2
隔振原理
双层隔振
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
2、频率比 2, 1
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 2, 1
隔振与否的分界点，而与阻尼比无关
隔振效率： E 1100%
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
ze Asin pt z&e v sin pt &z&e a sin pt
1
概述
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1~2，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
第十一章 隔振设计
1
概述
2
隔振原理
3
减振器设计
4
阻尼减振技术
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
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
被动隔振
牛顿第二定律得运动方程
m&z& cz& kz kze cz&e
传递给设备的激振变成两个， 弹簧+阻尼器，且相差90°
响应振幅与激励振幅之比：隔振传递率，
隔振系数
1 2D 2 1 2 2 2D 2
2
隔振原理
被动隔振
1、频率比 2, 1
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
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
振动测试技术
传感器
感知和传输运动信号是测量系统的重要环节，传感器是核心装置
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
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
3、形状系数：
约束面积与自由面积之比 S AL AF
S不同，弹性模量也不同 具体查表、手册
3
减振器设计
橡胶减振器设计
简单形状直接得到 复杂形状先分解成 简单形状 再复合起来
金属弹簧减振器
搞清载荷后 查阅机械设计手册
3
减振器设计
重心和转动惯量
设备重心往往偏离几何对称轴
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
第十一章 隔振设计
1
概述
2
隔振原理
3
减振器设计
4
阻尼减振技术
5
振动测试技术
4
阻尼减振技术
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
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
粘弹性材料
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
5
振动测试技术
传感器
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
重要指标：固有频率
Sq
Q A
dk0
2
电荷幅值灵敏度 压电常数、等效刚度
灵敏度
压电元件两极间形成电容，则电压为：
ea
电压幅值灵敏度：
q Ca
Se dk0 Ca 2
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பைடு நூலகம்， 频率上限即传感器的固有频率
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
第十一章 隔振设计
1
概述
2
隔振原理
3
减振器设计
4
阻尼减振技术
5
振动测试技术
5
振动测试技术
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。 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。
U
1 2D 2 1 2 2 2D 2
tan 2 p 2 p2
具体传递曲线两者完全一致
2
隔振原理
等效阻尼
2 阻尼对隔振效率有不利影响，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： z Bsin pt
粘性阻尼作功：
Wd
cpB2
振幅越大， 阻尼消耗的能力越大
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
阻尼减振技术
阻尼减振基本原理
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
阻尼减振技术
阻尼减振的应用
振动和噪声控制的四种处理方法： 隔振、阻尼、吸收、封闭
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
减振器设计
橡胶减振器设计
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
1、硬度： 肖氏度
E 3.57105e0.034HS N / m2
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%
4
阻尼减振技术
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： m&z& kc z ze 0
设支撑体的运动为： ze A0e jpt
质量m的响应：
ze A0e j pt
带入运动方程，解出隔振传递效率
其动态特性：弹性模量，损耗因子
复弹性模量： Ec Ecos j sin 剪切弹性模量： Gc Gcos j sin
损耗因子：粘性材料的正交弹性模型与同相弹性模量之比
E sin tan E cos
G sin tan G cos
拉伸损耗因子，剪切损耗因子
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
损耗因子0.01~0.05 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，高聚合物材料，损耗因子可达2~3，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0.1~0.5
包括两种结构：自由阻尼结构，约束阻尼结构
有两个隔振系数：1
Z1 A0
2 0
2
2 0
2 a
2 0
2 b
2
Z2 A0
2 0
2 0
2 a
2 0
2 b
r接近0，两个系数均接近1
r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
r>ra时，系数均为负值
r=rb时，二阶共振
r>rb时，系数趋近于0
0
22 11
, a
1 , 11
b
2 , 11
p 11
两个的曲线图
进而得出弹簧刚度：
k1
m1 p2 1 2
1 1
u为质量比，取值0.2~1
在计算出另一个刚度，有相应公式
第十一章 隔振设计
1
概述
2
隔振原理
3
减振器设计
4
阻尼减振技术
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
A A0
12 1 2 j
共振时，r=1，共振振幅完全由结构阻尼决定，
加速度响应： A 2 A0k /m
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
阻尼减振技术
阻尼减振基本原理
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，