球壳形金属橡胶减振器的设计*

□ 李宇燕 □ 王 炜

1.西安工业大学 机电工程学院 西安 710032

2.中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学研究室 西安 710119

控制机械设备的振动，减振是一种非常有效的措施。目前常用的减振材料是橡胶，但橡胶材料的弹性、阻尼特性受环境温度的影响，散热系数小，在交变载荷作用下，容易发热并产生热应力疲劳和老化现象，使用频率范围窄。因此，必须定期更换，耗费大量的人力物力，采用新型的金属橡胶减振器可以弥补上述橡胶减振器的缺点。所谓金属橡胶是一种与橡胶类似的金属制品，它将金属丝卷成螺旋形，模拟普通橡胶的分子链结构，经过编织，置入所需结构形状的模具中，加压成型，并经热处理而成。金属橡胶结构受交变载荷时，利用其弹性可以减振，因为金属丝之间的勾连、摩擦可以增加结构阻尼。它具有不怕高温和低温的特点，而且金属橡胶不易老化，保存期不受限制，因此具有广阔的应用前景［1］。

金属橡胶减振器目前还处于起始阶段，其外形主要有圆柱形、环形及球壳形。本文设计出了适应于无级变速器应用的球壳形金属橡胶减振器，该减振器的应用有利于减少因电动机转动而引起传动部分的振动，从而保证了传动精度的要求。无级变速器的技术指标见表1。

表1 无级变速器的技术指标［2］

1 橡胶减振器与金属橡胶减振器的对比分析

橡胶减振器采用阻尼橡胶作为减振和耗能材料，阻尼橡胶内耗大，在振动过程中，阻尼材料内部分子链之间不断发生伸缩变形，使内部组织的温度不断升高，温度的变化会引起阻尼材料损耗因子η和弹性模量E的降低，相应地引起系统固有频率下降。而且阻尼橡胶在承受冲击载荷时，其表面会产生微裂纹，并局部脱胶、老化。

金属橡胶减振器采用金属橡胶材料作为减振材料，由于其内部结构是金属丝相互交错勾连形成的类似橡胶高分子结构的空间网状结构，具有类似橡胶的弹塑性性质。在受到激励力作用时，由于金属丝之间的摩擦、滑移、挤压，可以消耗大量的能量而起到大阻尼黏弹性材料的作用。理论分析和应用研究证明，在相同工况下，金属橡胶减振器的阻尼比可达0.35，远远高于普通橡胶减振器。同时，它是由金属丝制成的具有孔状结构的金属制品，可以不必考虑蠕变、老化和工作环境的影响。

参考国内外制作金属丝网减振器产品的设计规范，借鉴国内外有关研究资料，金属橡胶减振器采用直径0.05～0.5 mm的金属丝作为金属橡胶材料。在无腐蚀条件下，可以选用弹簧钢丝；在有腐蚀条件下，为防止材料因为生锈而失效，可以选用不锈钢丝来制作。本文选用镍铬合金钢丝，型号为1Cr18Ni9Ti，密度ρs＝7.90×103kg/m3， 弹性模量 E0＝198 GPa， 丝线直径 d＝0.18 mm，金属丝的螺旋卷直径ds＝1.7 mm，金属丝的螺距 h＝1.7 mm［3、4］。

2 金属橡胶减振系统分析

变速器通过金属橡胶减振器放置在刚性基础上，其振动可以简化为一个单自由度振动系统，力学模型如图1所示，图中m为系统的总质量，k为金属橡胶减振器的刚度，c为减振器的阻尼因数。

根据机械设备减振系数的参考标准［5］，按照机器种类来选取隔振系数，确定减振效率为0.87，则隔振系数ηA取值为0.17。

2.1 计算原始数据

▲图1 金属橡胶减振系统简图

2.2 计算减振系统的参数

减振器刚度［6］：

k＝（0.04～0.16）mω2＝1.97×105～7.89×105N/m

其中：m＝200 kg（其中电动机的质量为 70 kg［7］）。

▲图2 球壳形金属橡胶减振器

2.3 减振器的校核

2.3.1 金属橡胶材料的弹性模量［1，8］

将 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。

给定球壳形金属橡胶减振器的内半径r＝6 mm，外半径 R＝13 mm，高度为 L＝20 mm。

可得承载面积为:

由 E1＝α×k 和 α＝L/S，可得:k＝2.0×105N/m，符合设计要求。

2.3.2 固有频率

3 设计与验证

为了适应多盘无级变速器的工作要求，笔者设计了如图2所示的球壳形金属橡胶减振器，并对其性能进行了计算和校核，验证了其合理性和实用性。

［1］ 李宇燕.金属橡胶材料的非线性本构关系及系统振动响应的研究［D］.西安:西安交通大学，2006.

［2］ 阮忠唐.机械无级变速器设计与选用指南［M］.北京：化学工业出版社，1988：58-62.

［3］ 宋凯.金属橡胶非线性离散结构单元模型的理论与试验研究［D］.西安:西安交通大学，2004.

［4］ 刘桥.金属橡胶材料的非线性特性及其在航天减振器中的应用［D］.西安：西安交通大学，1997.

［5］ 邱宣怀，蔡春源.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1991.

［6］ 解兰昌.精密仪器仪表机构设计［M］.浙江：浙江大学出版社，1996：160-166.

［7］ 吴宗泽，罗圣国.机械课程设计手册［M］.北京:高等教育出版社，1996：155-157.

［8］ 李宇燕，黄协清.金属橡胶材料的非线性刚度［J］.兵工学报， 2008，29（7）:819-823.