CN105650195B - 一种准零刚度压杆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准零刚度压杆。所述准零刚度压杆主要由具有负刚度的半球环形凸起‑万向滚轮‑簧片机构和提供正刚度的竖直弹簧组成，其中万向滚轮安装在簧片上，而簧片由固定在外套筒内的环形套支撑，保证半球环形凸起的对中性。正负刚度元件的并联组合使压杆具有高静刚度低动刚度特征，使得其在静平衡位置处的刚度为零，并且在平衡位置附近呈现微小刚度特性。准零刚度压杆可安装于各类隔振平台，使其在各自由度上具有高静低动刚度特性，从而实现低频隔振。

Description

一种准零刚度压杆
技术领域
本发明涉及一种准零刚度压杆，可应用于各类隔振平台，可使平台在各自由度上具有高静低动刚度特性，从而实现低频隔振。
背景技术
在汽车、舰船、航天航空等高精密工程领域中，由于这些精密仪器对周围的振动环境都非常敏感，微小的不良振动都会大大影响到其精密性甚至造成损伤，因而其隔振性能常常影响其运用性能。传统的隔振系统无法做到权衡静承载力和低刚度之间的矛盾，故低频及超低频振动的隔离成为研究的重点和难点。随着低频隔振技术研究的不断深入，研究者提出了一系列的低频隔振系统，且对于一些需要弹性支承的低频或超低频振动环境，也提出了具有隔振性能的压杆装置。目前，这些隔振装置有利用弹簧装置，也有利用负刚度机构来获得其低频隔振的效果，但由于结构不够紧凑，很难应用在狭小空间去实现隔振，也不便于组合成复合性准零刚度机构实现多向准零刚度的功能特性
经检索，申请号为200610150921.1的中国发明专利申请公开了一种名称为“非线性压杆弹簧装置”的发明专利申请，该专利申请将压杆作为弹性元件，利用导向滑块在导向槽中滑动保持压杆受力为轴向力。该专利依据压杆失稳机理，实现高静态刚度和低动态刚度，从而期望获得低频隔振效果。该专利可能存在几个问题：1)压杆屈曲导致滑块摩擦力增加，损害中高频隔振；2)其结构设计对于微幅振动达不到预期的隔振效果；3)与本专利申请所依据的机理完全不同，本专利是通过半球环形凸起-万向滚轮-簧片来实现准零刚度的高静态刚度和低动态刚度特性，并且对微幅振动有较好的隔振效果。
中国发明专利“承重可调准零刚度隔振器及其控制方法(201210081938.1)”、“滑动梁和弹簧组合非线性超低频隔振器(申请号：201210145254.3)”、“屈曲板型准零刚度隔振器(申请号：201310330357.1)”、“滚球型准零刚度隔振器(申请号：201310330359.0)”、“碟形橡胶准零刚度隔振器(申请号：201310330360.3)”、“扭转准零刚度隔振器(申请号：201410558315.8)”、“一种采用环形永磁铁产生负刚度的准零刚度隔振器(申请号：201410582655.4)”、“一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器(201510097824.X)”，实用新型专利“具有准零刚度的非线性磁力隔振器(申请号：201120223834.0)”、“具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统(201320230643.6)”、“一种准零刚度隔振器(201420008107.6)”提出了若干种准零刚度隔振器，但其结构设计形式与本专利申请完全不同，在正负刚度实现机理上，也并未检测到利用半球环形凸起-万向滚轮-簧片的负刚度机构和正刚度弹簧组合实现准零特性的准零刚度压杆。
发明内容
基于正负刚度并联的原理，本发明旨在提供一种半球环形凸起-万向滚轮-簧片(其中簧片以两端固支的梁的形式起作用)复合型负刚度机构与弹簧正刚度组成的准零刚度压杆，该准零刚度压杆可以实现对低频振动的隔离，具有结构紧凑、便于组合成多种复合性准零刚度机构实现多向准零刚度的功能特性的特点，例如将其应用到隔振平台上实现平台的准零特性，便于解决多向低频隔振的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种准零刚度压杆，其结构特点是，包括细长内杆，套装在细长内杆外的外套筒，半开口式圆柱套筒，以及用于调节外套筒与半开口式圆柱套筒之间距离的内套筒；所述细长内杆的一端伸出所述外套筒外且另一端与一竖直弹簧相连，具有正刚度的该竖直弹簧的一端定位于细长内杆的端部，且竖直弹簧另一端定位于开设在半开口式圆柱套筒上的定位孔内；所述细长内杆的外壁面上具有环状半球环形凸起，该半球环形凸起的外表面为半球面；所述外套筒内壁上装有环形套，该环形套内壁上装有至少三个簧片，每个簧片内壁上均装有与所述半球环形凸起接触的万向滚轮；所述半球环形凸起、簧片和万向滚轮之间构成负刚度元件。
由此，本发明的半球环形凸起-万向滚轮-簧片与竖直弹簧并联，具有良好的高静低动刚度特性，可组合成各类准零刚度隔振平台，可使平台在各自由度上具有高静低动刚度特性，从而实现多向低频隔振。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
所述细长内杆的伸出端装有单杆型球头杆端关节轴承，所述半开口式圆柱套筒的外端部上装有单杆型球头杆端关节轴承。
所述内套筒具有外螺纹，所述外套筒和半开口式圆柱套筒的内壁均开有与所述内套筒的外螺纹配合的内螺纹。由此，该可调节的圆柱内套筒是利用螺纹的旋进与旋出来实现弹簧压缩量的调节，进而调整半球环形凸起与万向滚轮的接触情况，且该圆筒两端的螺纹之间存在一道宽槽，便于螺纹的旋进。
所述细长内杆通过多个直线轴承装在外套筒内壁，并可相对外套筒轴向移动。
所述环形套有两个，设置在所述半球环形凸起的上下两侧，所述簧片的两端分别固定在相应的环形套上。由此，簧片以两端固支的梁的形式起作用。
所述外套筒由三段串接而成；所述环形套固定在中间的外套筒内壁上。优选地，圆柱外套筒与圆柱外套筒之间的连接通过螺纹来实现，组装成一个长的圆柱外套筒，有利于内部元件的装配。
所述竖直弹簧为机械螺旋弹簧。
优选地，所述簧片为三个，三个簧片均匀设置在半球环形凸起的外侧。
所述半球环形凸起的半球面圆心与万向滚轮的圆心位于同一水平面时的准零刚度压杆处于静平衡位置；所述准零刚度压杆的无量纲回复力和无量纲刚度分别为：
其中为半球环形凸起偏离静平衡位置的无量纲位移量，为零刚度条件下簧片到细长内杆间的无量纲距离。
藉由上述结构，本发明设计的准零刚度压杆包括加工有半球环形凸起的细长内杆，并利用半球环形凸起、万向滚轮与簧片的组合来实现负刚度，且万向滚轮用螺栓固定在簧片上，用万向滚轮-簧片均匀分布固定在两个环形套并安装在一圆柱外套筒上来保证半球环形凸起与万向滚轮接触的对中效果，使其不易发生偏转；具有正刚度的竖直弹簧一端套在细长内杆的下端通过其轴肩来限定弹簧上端的位置，另一端卡在半开口式圆柱筒的圆槽中；两个一上一下安装在圆柱外套筒上的直线轴承，确保了细长内杆与竖直弹簧的竖直性，使其在竖直运动时不会发生偏移；可调节式圆柱内套筒可通过螺纹来调节弹簧的压缩量进而调节圆柱筒的位置来确保万向滚轮圆心与半球环形凸起圆心连线垂直通过细长内杆与竖直弹簧的轴心线；两个单杆型球头杆端关节轴承分别安装在细长内杆和半开口式圆柱套筒上，并可通过它们将该准零刚度压杆组合到其他隔振平台上来实现平台的多向准零刚度特性。
优选地，所述半球环形凸起为细长内杆的阶梯轴上的一部分，形状为半圆形圆环，即便该半球环形凸起在接触平面上发生旋转，也不会影响半球环形凸起与万向滚轮的接触情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明准零刚度压杆通过具有正刚度的竖直弹簧和具有负刚度的半球环形凸起-万向滚轮-簧片机构的并联组合使其具有高静刚度、低动刚度的特征，并在静平衡位置处实现零刚度，且在静平衡位置附近呈现微小刚度特性，可以实现对低频的振动隔离；
2)本发明准零刚度压杆结构更加紧凑，可使用在很多空间受限的场合；
3)本发明准零刚度压杆便于组合成多种复合性准零刚度机构实现多向准零刚度的功能特性。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1是本发明一种实施例的剖面示意图；
图2是本发明的受力分析图，其中(a)为万向滚珠与凸起接触状态受力图；(b)为凸起偏离万向滚轮的状态受力图；(c)为万向滚轮与凸起未接触状态受力图；
图3是本发明在β＝1时的无量纲回复力-位移曲线；
图4是本发明在β＝1时的无量纲刚度-位移曲线；
图5是本发明在准零刚度条件下的无量纲刚度-位移曲线；
图6是图1的局部放大图。
在图中：
1-单杆型球头杆端关节轴承；2-细长内杆；3-直线轴承；4-5-6-外套筒；7-可调节式圆柱内套筒；8-竖直弹簧；9-半开口式圆柱套筒；10-环形套；11-簧片；12-万向滚轮；13-螺栓。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提条件进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例所述准零刚度压杆的典型工作状态如图1和图6所示，以此为例说明本发明的具体实施方式。该准零刚度压杆具体结构包括：单杆型球头杆端关节轴承1，细长内杆2，直线轴承3，圆柱外套筒4、5、6，可调节式圆柱内套筒7，竖直弹簧8，半开口式圆柱外套筒9，环形套10，簧片11，作为万向滚轮的钢珠滚轮12，以及螺栓13。
本实施例中，半球环形凸起14是加工在细长内杆2上的一部分，呈半圆形圆环状，其中的内杆为阶梯轴状。细长内杆2的位置由两个一上一下安装在圆柱外套筒4、6上的轴线轴承3和和一根上端套在内杆下端且由其轴肩限定的竖直弹簧8确定的，其中的竖直弹簧8的下端限定在半开口式圆柱外套筒9的圆槽中。细长内杆2能在竖直方向上下移动，其中钢珠滚轮12在细长内杆2的半球环形凸起14上发生滚动且始终保持接触，并且钢珠滚轮12通过螺栓13固定在簧片11上。而簧片11由两个环形套10作为支撑部件，并且是以一根两端固支梁的形式发挥作用。钢珠滚轮12、簧片11、螺栓13的数量均为3个，组装在一起均布在环形套10上并安装在圆柱筒外套5上，可确保半球环形凸起14与钢珠滚轮的接触的对中性且不发生偏移。在静平衡状态下，钢珠滚轮12形心与半球环形凸起14圆心连线垂直通过细长内杆2与竖直弹簧8的轴心线。可以通过调整可调节式圆柱筒内套7中螺纹的旋进与旋出，来保证，该压杆通过两个分别安装在细长内杆2和半开口式圆柱筒外套9上的单杆型球头杆端关节轴承1将其连接到其它设备上。
本实施例中，半球环形凸起14和钢珠滚轮未发生接触时两圆心之间的距离为δ，在静载f作用下准零刚度压杆处于静平衡位置，如图2(a)半球环形凸起14圆心与钢珠滚轮圆心在同一水平线上，竖直弹簧的压缩量是Δx＝f/kv,其中kv为竖直弹簧的刚度。当系统在平衡位置附近振动时，半球环形凸起14离开平衡位置，带有钢珠滚轮的簧片在竖直方向产生负刚度，从而减小整个系统在竖直方向的刚度，当产生的负刚度与竖直弹簧的正刚度相等时，平衡位置的刚度为零，即零刚度条件。
在外载f(x)作用下半球环形凸起14偏离静平衡位置向下移动位移量x，此时该压杆各部件的受力分析如图2(b)所示。当半球环形凸起14与钢珠滚轮接触时，其力与位移的关系可表示为
f(x)＝fv-f-3fosinα, (1)
其中，fv＝kv(x+Δx)，sinα＝x/(r1+r2)。
fv:在外载f(x)作用下,竖直弹簧所受载荷；
fo:在外载f(x)作用下，簧片通过钢珠滚轮施加给半球环形凸起14的载荷；
α:在外载f(x)作用下,半球环形凸起14偏离静平衡位置出的角度；
r1:钢珠滚轮半径；
r2:半球环形凸起14半径。
已知竖直弹簧在平衡位置的压缩量为Δx，因此，力与位移关系可以进一步写为
f(x)＝kvx-3fosinα (2)
在图2(b)中，钢珠滚轮所在处的簧片变形量ΔC与半球环形凸起14半径r2、钢珠滚轮半径r1、半球环形凸起14和钢珠滚轮未发生接触时簧片到内杆间的距离δ和半球环形凸起14偏移平衡位置的位移量x满足下面的关系
对图2(c)中的簧片进行受力分析，可得到关于ΔC的关系：
其中，
L:两圆环套间的距离；
EI:簧片的弯曲刚度。
由式(3)、(4)可求得
将系统回复力可以表示为无量纲形式:
其中，β＝192EI/(kvL3)，
系统的无量纲回复力；
半球环形凸起14偏移平衡位置的无量纲位移量；
β:簧片与竖直弹簧的刚度比；
半球环形凸起14和钢珠滚轮未发生接触时簧片到内杆间的无量纲距离。
对求导可得系统的无量纲刚度
当β＝1(刚度比)时，对准零压杆回复力和刚度的影响分别见图3、图4。从图可以看出，在静平衡位置附近曲线越趋于平坦，即刚度越低。当较大时，竖直弹簧在系统回复力中占主导作用，如在整个位移区间都是正刚度。相反，当较小时，如半球环形凸起-钢珠滚轮-簧片机构在系统回复力中占主导地位，使得系统在平衡位置附近产生负刚度。而当时，系统在平衡位置处的刚度为零。由式(7)可知，当与β满足一定的关系时，该压杆在平衡位置将产生零刚度。令可得零刚度条件
其中，零刚度条件下簧片到内杆间的无量纲距离。
将零刚度条件(8)分别代入式(6)和(7)，可得零刚度条件下准零刚度压杆的无量纲回复力和无量纲刚度
此时，无量纲刚度与无量纲位移之间的关系见图5。结合式(10)可知，当系统的刚度始终是正值，并且随着的增大系统刚度增长的速率也随之增加。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种准零刚度压杆，其特征在于，包括细长内杆(2)，套装在所述细长内杆(2)外的外套筒(4，5，6)，半开口式圆柱套筒(9)，以及用于调节所述外套筒与所述半开口式圆柱套筒(9)之间距离的内套筒(7)；所述细长内杆(2)的一端伸出所述外套筒外且另一端与一竖直弹簧(8)相连，具有正刚度的所述竖直弹簧(8)的一端定位于所述细长内杆(2)的端部，且所述竖直弹簧(8)另一端定位于开设在所述半开口式圆柱套筒(9)上的定位孔内；所述细长内杆(2)的外壁面上具有半球环形凸起(14)，所述半球环形凸起(14)的外表面为半球面；所述外套筒的内壁上装有环形套(10)，所述环形套(10)内壁上装有至少三个簧片(11)，每个所述簧片(11)内壁上均装有与所述半球环形凸起(14)接触的万向滚轮(12)，且所述簧片的连接固定采用两端固支的梁的形式；所述半球环形凸起(14)、所述簧片(11)和所述万向滚轮(12)之间构成负刚度元件；
所述半球环形凸起(14)的半球面圆心与所述万向滚轮(12)的圆心位于同一水平面时的准零刚度压杆处于静平衡位置；所述准零刚度压杆的无量纲回复力和无量纲刚度分别为：
其中，为所述半球环形凸起(14)偏离静平衡位置的无量纲位移量，为零刚度条件下所述簧片到所述细长内杆间的无量纲距离。
2.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述细长内杆(2)的伸出端装有单杆型球头杆端关节轴承(1)，所述半开口式圆柱套筒(9)的外端部上装有单杆型球头杆端关节轴承。
3.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述内套筒(7)具有外螺纹，所述外套筒和所述半开口式圆柱套筒(9)的内壁均开有与所述内套筒(7)的外螺纹配合的内螺纹。
4.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述细长内杆(2)通过多个直线轴承(3)装在所述外套筒的内壁，并可相对所述外套筒轴向移动。
5.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述环形套(10)有两个，设置在所述半球环形凸起(14)的上下两侧，所述簧片(11)的两端分别固定在相应的所述环形套(10)上。
6.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述外套筒由三段串接而成；所述环形套(10)固定在中间的所述外套筒的内壁上。
7.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述竖直弹簧为机械螺旋弹簧。
8.根据权利要求1所述的准零刚度压杆，其特征在于，所述簧片(11)为三个，三个所述簧片(11)均匀设置在所述半球环形凸起的外侧。
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