飞轮动力吸振装置与建造方法

摘要

本发明提供了一种飞轮动力吸振装置，包含轮体结构与吸振组件，所述轮体结构包含依次连接的轮毂(5)、轮辐(4)、轮缘(1)；所述吸振组件包含轴向吸振结构与横向吸振结构以及吸振元件；吸振元件安装在轮辐(4)的上端面和/或下端面上；所述轴向吸振结构与横向吸振结构均安装在吸振元件上。本发明还提供了一种上述的飞轮动力吸振装置的建造方法。本发明提供的飞轮动力吸振装置不需要对飞轮轮体结构进行额外的加工处理，对飞轮轮体结构没有损伤，采用上部和下部环形吸振器质量的结构形式，方便装配，能够增加连接的可靠性。

权利要求

1.一种飞轮动力吸振装置，其特征在于，包含轮体结构与吸振组件，所述轮体结构包含依次连接的轮毂（5）、轮辐（4）、轮缘（1）；所述吸振组件包含轴向吸振结构与横向吸振结构以及吸振元件；

吸振元件安装在轮辐（4）的上端面和/或下端面上；所述轴向吸振结构与横向吸振结构均安装在吸振元件上；

多个吸振元件中包含有分别安装在轮辐（4）上端面、轮辐（4）下端面上的上部吸振器（21）、下部吸振器（22）；

上部吸振器（21）、下部吸振器（22）分别通过设置的上部轴向弹性垫（81）、下部轴向弹性垫（82）连接在轮辐（4）上；

上部吸振器（21）与下部吸振器（22）通过轴向固定件连接，所述轴向固定件包含轴向套筒（9）、轴向压紧螺栓（10）以及轴向压紧螺母（11）；

上部吸振器（21）与下部吸振器（22）均为环形结构；

所述轴向套筒（9）安装在上部吸振器（21）与下部吸振器（22）之间；包含多套轴向固定件沿轮体结构周向方向均匀布置；

沿轮体结构径向方向上，所述吸振元件与轮辐（4）延伸方向一致；

上部轴向弹性垫（81）与下部轴向弹性垫（82）均为门字型结构；沿轮缘（1）宽度方向上，上部轴向弹性垫（81）向上拱起，下部轴向弹性垫（82）向下拱起；

轴向压紧螺母（11）的自由端与轴向压紧螺栓（10）之间点焊固定；

所述横向吸振结构包含横向弹性垫、横向压紧垫片、横向压紧螺栓以及横向压紧螺母；

横向压紧垫片、横向压紧螺栓以及横向压紧螺母将横向弹性垫固定在吸振元件上的沉头孔中；

所述横向弹性垫与轮缘（1）接触。

2.根据权利要求1所述的飞轮动力吸振装置，其特征在于，吸振元件厚度为3～4mm；吸振元件由7075冷处理锻压铝合金材料制成；

上部轴向弹性垫（81）与下部轴向弹性垫（82）由氟橡胶或硅橡胶制成。

3.根据权利要求1所述的飞轮动力吸振装置，其特征在于，多个横向吸振结构中包含有分别安装在上部吸振器（21）、下部吸振器（22）上的上部横向吸振组件、下部横向吸振组件；

多个横向吸振结构沿轮体结构周向方向均匀布置。

4.根据权利要求3所述的飞轮动力吸振装置，其特征在于，横向压紧螺母的自由端与横向压紧螺栓之间点焊固定；

所述横向压紧垫片与横向压紧螺栓均由高强度钢制成，所述横向弹性垫由氟橡胶或硅橡胶制成。

5.一种权利要求1至4中任一项所述的飞轮动力吸振装置的建造方法，其特征在于，包含以下步骤：垂向动力吸振效果分析步骤：对飞轮动力吸振装置的垂向动力吸振效果进行分析；

横向动力吸振效果分析步骤：对飞轮动力吸振装置的横向动力吸振效果进行分析。

6.根据权利要求5所述的建造方法，其特征在于，所述垂向动力吸振效果分析步骤中，建立关于上部吸振器（21）、下部吸振器（22）、上部轴向弹性垫（81）以及下部轴向弹性垫（82）的第一有限元模型，并进行模态分析，获得第一有限元模型的上下振动模态，使上下振动模态的模态频率与轮体结构的轴向振动响应放大特征模态的模态频率一致；

所述横向动力吸振效果分析步骤中，建立关于上部吸振器（21）、下部吸振器（22）以及横向弹性垫的第二有限元模型，并进行模态分析，获得第二有限元模型的横向振动模态，使横向振动模态的模态频率与轮体结构的横向振动响应放大特征模态的模态频率一致。

说明书

飞轮动力吸振装置与建造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及减振领域，具体地，涉及一种飞轮动力吸振装置与建造方法，特别是一种用于抑制发射段姿控飞轮轴向和横向振动响应放大的动力吸振装置与建造方法。

背景技术

[0002] 由于动量交换系统可以提供很高的姿态控制精度，因此被广泛应用于现代航天器的姿态控制系统。特别是用于各类轨道长期以三轴稳定方式工作的航天器上。飞轮系统通过控制转子的转速，即改变角动量来产生所需的控制力矩，从而精确地控制航天器的姿态。飞轮的轮体是卫星姿态控制系统的核心部件。飞轮轮体的性能与旋转精度直接影响姿态的精度和稳定性。随着现代小卫星的迅猛发展，研制效率高、重量轻、体积小的飞轮轮体对于现代小卫星发展至关重要。飞轮的轮体与轮缘通常是一体化结构，飞轮上的接触界面少，因此飞轮的阻尼非常小。在发射段火箭等运载工具声激励和脉动压力产生的宽带振动载荷和冲击载荷的激励下，在飞轮的固有频率处容易发生共振，轮缘处响应得到显著放大，响应曲线中形成突出的峰值，轮体上的超标振动响应容易给轴承组件施加过量的动载荷，造成轴承组件的过早失效。因此，为了提高飞轮轴承组件的可靠性，需要对发射段姿控飞轮轴向和横向的振动响应放大进行抑制。

[0003] 为有效抑制发射段姿控飞轮轴向和横向的振动响应放大，存在几大难点，一是振动响应放大抑制装置增加的质量不宜过大，否则会降低发射的有效载荷或增加发射的成本；二是振动响应放大抑制装置不能够增加飞轮在轨高速旋转时的不平衡量、并且不能影响飞轮在轨高速旋转时的可靠性，在飞轮的寿命期内不能够发生松动和大变形等情况；三是振动响应放大抑制装置需要承受住发射阶段飞轮受到的各种动载荷和冲击载荷，不仅仅需要将轮体上轮缘处的振动放大进行抑制，确保轴承组件的动载荷得以减小，同时本身的振动不会因为过大而损害轮体的部件；四是在轨阶段，振动响应放大抑制组件应能够承受住空间环境(真空、温度、臭氧等)及其空间环境的变化(如高低温)，所选择的材料和结构形式、连接形式需要在这种交变的环境下满足高可靠性；五是振动响应放大抑制组件需要同时具备对飞轮轴向和横向的振动响应放大进行抑制的能力。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种飞轮动力吸振装置与建造方法。

[0005] 根据本发明提供的飞轮动力吸振装置，包含轮体结构与吸振组件，所述轮体结构包含依次连接的轮毂、轮辐、轮缘；所述吸振组件包含轴向吸振结构与横向吸振结构以及吸振元件；

[0006] 吸振元件安装在轮辐的上端面和/或下端面上；所述轴向吸振结构与横向吸振结构均安装在吸振元件上。

[0007] 优选地，多个吸振元件中包含有分别安装在轮辐上端面、轮辐下端面上的上部吸振器、下部吸振器；

[0008] 上部吸振器、下部吸振器分别通过设置的上部轴向弹性垫、下部轴向弹性垫连接在轮辐上。

[0009] 优选地，上部吸振器与下部吸振器通过轴向固定件连接，所述轴向固定件包含轴向套筒、轴向压紧螺栓以及轴向压紧螺母；

[0010] 上部吸振器与下部吸振器均为环形结构；

[0011] 所述轴向套筒安装在上部吸振器与下部吸振器之间；包含多套轴向固定件沿轮体结构周向方向均匀布置。

[0012] 优选地，沿轮体结构径向方向上，所述吸振元件与轮辐延伸方向一致；

[0013] 上部轴向弹性垫与下部轴向弹性垫均为门字型结构；沿轮缘宽度方向上，上部轴向弹性垫向上拱起，下部轴向弹性垫向下拱起；

[0014] 轴向压紧螺母的自由端与轴向压紧螺栓之间点焊固定。

[0015] 优选地，吸振元件厚度为3～4mm；吸振元件由7075冷处理锻压铝合金材料制成；

[0016] 上部轴向弹性垫与下部轴向弹性垫由氟橡胶或硅橡胶制成。

[0017] 优选地，所述横向吸振结构包含横向弹性垫、横向压紧垫片、横向压紧螺栓以及横向压紧螺母；

[0018] 横向压紧垫片、横向压紧螺栓以及横向压紧螺母将横向弹性垫固定在吸振元件上的沉头孔中；

[0019] 所述横向弹性垫与轮缘接触。

[0020] 优选地，多个横向吸振结构中包含有分别安装在上部吸振器、下部吸振器上的上部横向吸振组件、下部横向吸振组件；

[0021] 多个横向吸振结构沿轮体结构周向方向均匀布置。

[0022] 优选地，横向压紧螺母的自由端与横向压紧螺栓之间点焊固定；

[0023] 所述横向压紧垫片与横向压紧螺栓均由高强度钢制成，所述横向弹性垫由氟橡胶或硅橡胶制成。

[0024] 本发明还提供了一种上述的飞轮动力吸振装置的建造方法，包含以下步骤：

[0025] 垂向动力吸振效果分析步骤：对飞轮动力吸振装置的垂向动力吸振效果进行分析；

[0026] 横向动力吸振效果分析步骤：对飞轮动力吸振装置的横向动力吸振效果进行分析。

[0027] 优选地，所述垂向动力吸振效果分析步骤中，建立关于上部吸振器、下部吸振器、上部轴向弹性垫以及下部轴向弹性垫的第一有限元模型，并进行模态分析，获得第一有限元模型的上下振动模态，使上下振动模态的模态频率与轮体结构的轴向振动响应放大特征模态的模态频率一致；

[0028] 所述横向动力吸振效果分析步骤中，建立关于上部吸振器、下部吸振器以及横向弹性垫的第二有限元模型，并进行模态分析，获得第二有限元模型的横向振动模态，使横向振动模态的模态频率与轮体结构的横向振动响应放大特征模态的模态频率一致。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0030] 1、本发明提供的飞轮动力吸振装置不需要对飞轮轮体结构进行额外的加工处理，对飞轮轮体结构没有损伤，采用上部和下部环形吸振器质量的结构形式，方便装配，能够增加连接的可靠性；

[0031] 2、由于本发明采用了圆吸振元件质量这一整体结构形式，一方面对需要抑制模态的模态特征有很强的针对性，另一方面有利于进行动平衡处理，故对高速旋转飞轮的动平衡影响小；

[0032] 3、上部和下部轴向弹性垫、轴向压紧螺栓、轴向套筒、轴向压紧螺母的连接方式，以及上部和下部横向弹性垫、上部和下部横向压紧垫片、上部和下部横向压紧螺栓的连接方式，简单可靠；进而

[0033] 4、一方面有利于垂向和横向振动放大抑制组件的解耦，另一方面为通过优化设计参数(弹性垫的模量及预紧螺栓的预紧力)来为获得较优的振动放大抑制效果提供了可能。

附图说明

[0034] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0035] 图1为本发明提供的飞轮动力吸振装置俯视图；

[0036] 图2为飞轮动力吸振装置俯视图上A-A截面示意图；

[0037] 图3为飞轮动力吸振装置俯视图上B-B截面示意图；

[0038] 图4为飞轮动力吸振装置立体图。

[0039] 图中示出：

[0040]

具体实施方式

[0041] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0042] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0043] 本发明提供的飞轮动力吸振装置，包含轮体结构与吸振组件，所述吸振组件包含轴向吸振结构与横向吸振结构以及吸振元件。如图1至图3所示，实施例中，所述轮体结构为轮毂5、轮辐4以及轮缘1一体化的姿控飞轮，轮毂5上的轴向通孔中设置有轴承组件，轮毂5支撑在轴承组件上，在飞轮电机的带动下，轴承组件的外圈带动轮毂5旋转，从而提供角动量。在发射阶段，由于飞轮底座受到发射段火箭等运载工具声激励和脉动压力产生的宽带振动载荷和冲击载荷，产生的振动通过轴承组件传递给飞轮轮体结构，飞轮轮体结构在这种载荷激励下，发生共振，由于一体化轮体结构本身的阻尼小，因此共振响应的峰值特别大，由此产生的动载荷反作用于轴承组件，导致轴承组件过早失效。其中激励起的飞轮轮体结构轴向振动模态为轮缘1的拍打型振动模态(即由于轮辐的弹性变形，轮缘发生上下振动)；激励起的飞轮轮体结构的横向振动模态为飞轮轮体结构横向整体振动的模态。本发明即针对这两个特征模态进行抑制。

[0044] 如图4所示，所述吸振组件包含轴向吸振结构与横向吸振结构。吸振元件安装在轮辐4的上端面和/或下端面上，所述轴向吸振结构与横向吸振结构均安装在吸振元件上。多个吸振元件中包含有分别安装在轮辐4上端面、轮辐4下端面上的上部吸振器21、下部吸振器22，上部吸振器21、下部吸振器22分别通过设置的上部轴向弹性垫81、下部轴向弹性垫82连接在轮辐4上。实施例中，上部吸振器21与下部吸振器22均为圆环形结构，并且分别安装在上部轴向弹性垫81、下部轴向弹性垫82上设置的沉头孔中，另外需尽量靠近轮缘1内侧以增大飞轮结构旋转时的角动量。优选地，所述上部吸振器21与下部吸振器22还可以是间断状的弧形板结构等。

[0045] 上部吸振器21与下部吸振器22通过轴向固定件连接，所述轴向固定件包含轴向套筒9、轴向压紧螺栓10以及轴向压紧螺母11，所述轴向套筒9安装在上部吸振器21与下部吸振器22之间，包含多套轴向固定件沿轮体结构周向方向均匀布置。实施例中，为了防止上部吸振器21和下部吸振器22发生相向的过大的振动，其间布置轴向套筒9，轴向压紧螺栓10从轴向套筒9中穿过。为了不破坏飞轮轮体结构在周向的周期性和减小不平衡量，在每两个相邻轮辐4之间布置一组轴向固定件进行连接。上部吸振器21和下部吸振器22这一整体结构的质量、上部轴向弹性垫81和下部轴向弹性垫82的并联刚度构成了轴向动力吸振组合。当飞轮轮体结构发生轴向的共振时，由于这一轴向动力吸振组合的作用，使得原来发生在轮缘1上的最大振动能量转移到吸振组件上，轮缘1的振动得以显著降低，吸振组件发生振动，从而有效地抑制了轴向振动响应。

[0046] 横向吸振结构包含横向弹性垫、横向压紧垫片、横向压紧螺栓以及横向压紧螺母，横向压紧垫片、横向压紧螺栓以及横向压紧螺母将横向弹性垫固定在吸振元件上的沉头孔中，所述横向弹性垫与轮缘1接触。多个横向吸振结构中包含有分别安装在上部吸振器21、下部吸振器22上的上部横向吸振组件、下部横向吸振组件，多个横向吸振结构沿轮体结构周向方向均匀布置。实施例中，上部吸振器21包含了上部横向弹性垫61、上部横向压紧垫片62以及上部横向压紧螺母63；下部吸振器22包含了下部横向弹性垫71、下部横向压紧垫片
72以及下部横向压紧螺母73。所述上部横向弹性垫61、下部横向弹性垫71分别位于上部吸振器21与轮缘1之间、下部吸振器22与轮缘1之间，上部横向弹性垫61和下部横向弹性垫71分别放置于上部吸振器21上表面的沉头孔、下部吸振器22下表面的沉头孔中。上部横向压紧垫片62、下部横向压紧垫片72分别位于上部横向弹性垫61的上表面、下部横向弹性垫71的下面，然后分别拧入上部横向压紧螺栓63、下部横向压紧螺栓73，使之分别与上部吸振器
21、下部吸振器22上的螺孔连接，以分别对上部横向弹性垫61、下部横向弹性垫71，使上部横向弹性垫61、下部横向弹性垫71能够紧贴于轮缘1内侧。上部吸振器21与下部吸振器22通过轴向固定件进行连接，构成一个整体，受到压缩后的上部横向弹性垫61和下部横向弹性垫71提供了这一整体横向方向在飞轮轮体结构上的定位，同时提供横向刚度，精确的定位可以减少不平衡量。为了不破坏飞轮轮体结构在周向的周期性和减小不平衡量，在每两个相邻轮辐4之间布置一组上部横向吸振组件与一组下部横向吸振组件。上部吸振器21与下部吸振器22这一整体结构的质量、受到压缩后的上部横向弹性垫61和下部横向弹性垫71提供的刚度构成了横向动力吸振组合。当飞轮轮体结构发生横向的共振时，由于这一横向动力吸振组合的作用，使得原来发生在轮缘1上的最大振动能量转移到吸振组件，轮缘1的振动得以显著降低，吸振组件发生振动，从而有效地抑制了横向振动响应。

[0047] 优选地，沿轮体结构径向方向上，所述吸振元件与轮辐4延伸方向一致。上部轴向弹性垫81与下部轴向弹性垫82均为门字型结构，门字型结构使上部轴向弹性垫81、下部轴向弹性垫82能够分别镶嵌于轮辐4上表面的上方、轮辐4下表面的下方，门字型的结构可以防止弹性垫发生周向的移动和错位。优选地，沿轮缘1宽度方向上，上部轴向弹性垫81向上拱起，下部轴向弹性垫82向下拱起。优选地，轴向压紧螺母11的自由端与轴向压紧螺栓10之间点焊固定。优选地，吸振元件厚度为3～4mm，减少吸振元件带来的附加质量；吸振元件由7075冷处理锻压铝合金材料制成，上部轴向弹性垫81与下部轴向弹性垫82由氟橡胶或硅橡胶等耐高低温的低蠕变航天粘弹性材料制成。优选地，横向压紧螺母的自由端与横向压紧螺栓之间点焊固定。优选地，所述横向压紧垫片与横向压紧螺栓均由高强度钢制成，所述横向弹性垫由氟橡胶或硅橡胶等耐高低温的低蠕变航天粘弹性材料制成。

[0048] 本发明还提供了一种上述的飞轮动力吸振装置的建造方法，包含以下步骤：垂向动力吸振效果分析步骤：对飞轮动力吸振装置的垂向动力吸振效果进行分析；横向动力吸振效果分析步骤：对飞轮动力吸振装置的横向动力吸振效果进行分析。由于提供刚度的轴向弹性垫(上部轴向弹性垫81与下部轴向弹性垫82)与横向弹性垫(上部横向弹性垫61与下部横向弹性垫71)之间几乎正交，轴向弹性垫提供的横向刚度几乎可以忽略，横向弹性垫不提供轴向刚度，这两个方向的相关的动力吸振结构是解耦的，可以分开来进行设计。

[0049] 所述垂向动力吸振效果分析步骤中，建立关于上部吸振器21、下部吸振器22、上部轴向弹性垫81以及下部轴向弹性垫82的第一有限元模型，并进行模态分析，获得第一有限元模型的上下振动模态，使上下振动模态的模态频率与轮体结构的轴向振动响应放大特征模态(轮缘1的拍打型振动模态)的模态频率一致。

[0050] 所述横向动力吸振效果分析步骤中，建立关于上部吸振器21、下部吸振器22、上部横向弹性垫61以及下部横向弹性垫71的第二有限元模型，并进行模态分析，获得第二有限元模型的横向振动模态，使横向振动模态的模态频率与轮体结构的横向振动响应放大特征模态(轮缘1的横向振动模态)的模态频率一致。

[0051] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。