CN105889385B - 一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法 - Google Patents

一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法，包括固定的外框架、设置在外框架内的被隔振箱体以及分别分布于被隔振箱体的六个面上连接外框架和被隔振箱体的隔振模块；所述隔振模块包括与外框架固定的框架，与被隔振箱体固定的连接件，所述框架内部垂向有一垂向压缩弹簧，侧向有四个相同的侧向压缩弹簧，四个相同的压缩弹簧与框架和连接件之间均通过关节轴承连接，保证压缩弹簧相对框架和连接件均能够自由转动；所述六自由度准零刚度隔振器具有对称性，故三个平动方向具有相同的恢复力特性，三个转动方向具有相同的恢复力矩特性；本发明还公开了该隔振器的设计方法；能够在六个方向上实现低频隔振。

Description

一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种隔振器，具体涉及一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法，本发明所涉及的隔振器具有良好的低频隔振特性，在精密仪器隔振领域具有重要的应用价值。
背景技术
精密仪器对使用环境有很高的要求，特别是环境中的振动会严重影响仪器的使用效果。因此，有必要设计隔振器来降低仪器的振动量。对隔振器而言，其所用的弹簧刚度越小，隔振效果越好；但是降低刚度会使隔振器的承载能力下降。故研究人员提出了“准零刚度隔振器”的概念，这种隔振器具有“高静态刚度”、“低动态刚度”特性。高静态刚度保证了隔振器的承载能力，低动态刚度使得隔振器具有较好的隔振效果。
目前已有多种单自由度准零刚度隔振器的设计方案，而对于多自由度，特别是六自由度准零刚度隔振器的研究很少。在仪器的实际使用过程中，总是受到多个方向的扰动；即使扰动是在一个方向上，也会由于耦合作用而引起多个方向的振动。因此，设计六自由度的准零刚度隔振器具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法，能够在六个方向上实现低频隔振。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器，包括固定的外框架1、设置在外框架1内的被隔振箱体2以及分别分布于被隔振箱体2的六个面上连接外框架1和被隔振箱体2的隔振模块3；Oz方向为承载方向，被隔振箱体2顶部和底部的面上的隔振模块3承受被隔振箱体2的重量；所述隔振模块3包括与外框架1固定的框架3.1，与被隔振箱体2固定的连接件3.2，所述框架3.1内部垂向有一垂向压缩弹簧3.3，侧向有四个相同的侧向压缩弹簧，分别为第一侧向压缩弹簧3.4、第二侧向压缩弹簧3.5、第三侧向压缩弹簧3.6和第四侧向压缩弹簧3.7，四个相同的压缩弹簧与框架3.1和连接件3.2之间均通过关节轴承3.8连接，保证压缩弹簧相对框架3.1和连接件3.2均能够自由转动；所述六自由度准零刚度隔振器具有对称性，故三个平动方向具有相同的恢复力特性，三个转动方向具有相同的恢复力矩特性。
上述所述一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器的设计方法，
初步设计时，不考虑隔振器的承载，此时六个隔振模块3具有相同的物理参数和几何参数，当考虑承载时，只需要调节被隔振箱体2顶部和底部的面上的隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量；
当所述的六自由度准零刚度隔振器不承载时，假设所述的被隔振箱体2的边长为2a；所述的垂向压缩弹簧3.3的刚度为k1，压缩后的长度为L1，压缩量为ΔL1；所述四个相同的侧向压缩弹簧的刚度为k2，压缩后的长度为L2，压缩量为ΔL2；
要在平动方向和转动方向达到准零刚度特性，只需满足如下两个条件：
K＝2k1·(1-2·ΔL1/L1)+8k2·(1-2·ΔL2/L2)＝0 公式(1.1)
Kθ＝-4k1a·(a+L1)·ΔL1/L1+8k2a2·(1-ΔL2/L2)＝0 公式(1.2)
当所述六自由度准零刚度隔振器承载时，假设承载重量为mg，则被隔振箱体2顶部面V上的隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量修改为ΔL1-ΔL，底部面VI上的隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量修改为ΔL1+ΔL，隔振器的其他参数不变；此时，隔振器的准零刚度条件不发生改变；为了平衡承载重量，增加如下关系
ΔL＝mg/(2k1)公式(1.3)
所述的六自由度准零刚度隔振器，在满足准零刚度的条件下，通过增大比值L2/L1来降低恢复刚度、恢复扭转刚度的非线性程度，避免影响隔振性能。
若各参数按如下方式选取
k2/k1＝0.25,ΔL1/L1＝0,ΔL2/L2＝1 公式(1.4)
此时垂向压缩弹簧3.3的压缩量为零，可降低结构的复杂性及安装难度。
和现有的隔振技术相比，本发明具有如下优点：
1)在六个自由度上均有隔振能力。
2)既有很好的承载能力，又具有低频隔振性能。
3)通过模块化的方式实现六自由度隔振，结构系统简单。
4)基于压缩弹簧式负刚度机理的准零刚度隔振器具有很好的可靠性，且所需的元件简单、价格低廉。
附图说明
图1为本发明一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器的半剖视图。
图2为隔振器的单个隔振模块示意图，其中图2(a)为隔振模块的俯视图，图2(b)为隔振模块的前视图，2(c)为隔振模块的等轴侧视图。
图3为满足准零刚度条件下隔振器在平动方向的恢复力、恢复刚度特性，其中图3(a)为恢复力-位移曲线，图3(b)为恢复刚度-位移曲线。
图4为满足准零刚度条件下隔振器在转动方向的恢复力矩、恢复扭转刚度特性，其中图4(a)为恢复力矩-角位移曲线，图4(b)为恢复扭转刚度-角位移曲线。
图5为参数L2/L1对隔振器恢复刚度、恢复扭转刚度特性的影响，其中图5(a)表示L2/L1对恢复刚度的影响，图5(b)表示L2/L1对恢复扭转刚度的影响。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器，包括外框架1，被隔振箱体2，以及分布在被隔振箱体2的六个面上的6个隔振模块3。外框架1和基础固定，当基础振动时，会引起框架1发生振动。需要隔振的物体装在被隔振箱体2内。隔振模块3的底部通过框架3.1和外框架1固定，另一端通过连接件3.2和被隔振箱体2连接。
如图2所示，隔振模块3由框架3.1，连接件3.2，垂向压缩弹簧3.3，四个侧向压缩弹簧，分别为第一侧向压缩弹簧3.4、第二侧向压缩弹簧3.5、第三侧向压缩弹簧3.6和第四侧向压缩弹簧3.7以及关节轴承3.8组成。框架3.1和外框架1固定，连接件3.2的一个面和被隔振箱体2固定，另五个面通过5个关节轴承3.8和5个压缩弹簧连接，5个压缩弹簧的另一端也通过关节轴承3.8和框架3.1相连。关节轴承3.8的作用是使得弹簧相对框架3.1和连接件3.2可以自由转动。
所述六自由度准零刚度隔振器具有对称性，故三个平动方向具有相同的恢复力特性，三个转动方向具有相同的恢复力矩特性。
本发明压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器的设计方法，初步设计时，不考虑隔振器的承载，此时六个隔振模块3具有相同的物理参数和几何参数。当考虑承载时，只需要调节图1中面V和面VI上的隔振模块3的垂向弹簧3.3的压缩量即可。
当所述的六自由度准零刚度隔振器不承载时，假设所述的被隔振箱体2的边长为2a；所述的垂向压缩弹簧3.3的刚度为k1，压缩后的长度为L1，压缩量为ΔL1；所述的侧向压缩弹簧的刚度为k2，压缩后的长度为L2，压缩量为ΔL2。
要在平动方向和转动方向达到准零刚度特性，只需满足如下两个条件：
K＝2k1·(1-2·ΔL1/L1)+8k2·(1-2·ΔL2/L2)＝0 公式(1.1)
Kθ＝-4k1a·(a+L1)·ΔL1/L1+8k2a2·(1-ΔL2/L2)＝0 公式(1.2)
满足此条件时，所述六自由度准零刚度隔振器在平动方向的恢复力、恢复刚度特性如图3所示，在转动方向的恢复力矩、恢复扭转刚度特性如图4所示。由图3和图4可知，在平衡位置处，隔振器在平动方向和转动方向均具有零刚度特性，且在平衡位置附近的小范围内刚度基本能达到准零刚度状态。
作为一种优选方式，隔振模块3的各参数可按如下方式选取
k2/k1＝0.25,ΔL1/L1＝0,ΔL2/L2＝1 公式(1.4)此时垂向压缩弹簧3.3的压缩量为零，可使结构设计、装配更加简单。
当所述六自由度准零刚度隔振器承载时，假设承载重量为mg，则面V上的隔振模块3的垂向弹簧3.3的压缩量应减少ΔL，即为ΔL1-ΔL，面VI上的隔振模块3的垂向弹簧3.3的压缩量应增加ΔL，即为ΔL1+ΔL，隔振器的其他参数不变。此时，隔振器的准零刚度条件不发生改变。为了平衡承载重量mg，应增加如下关系
ΔL＝mg/(2k1) 公式(1.3)
准零刚度隔振器具有非线性的恢复刚度特性，刚度非线性会影响隔振性能，因此需要通过设计来降低刚度的非线性程度。如图5所示，对于所述的六自由度准零刚度隔振器，在满足准零刚度条件的条件下，可以通过增大比值L2/L1来降低恢复刚度、恢复扭转刚度的非线性程度。
本发明的工作原理如下：本发明主要利用了压缩弹簧会在垂直于弹簧方向产生负刚度的机理，为了简化分析，这里设定隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量为零。如图2所示的单个隔振模块3，在oz方向,由于侧向四个侧向压缩弹簧会在该方向产生负刚度，抵消了垂向压缩弹簧3.3的正刚度，故使得oz方向的恢复刚度为零；在ox方向，由于第二侧向压缩弹簧3.5、第四侧向压缩弹簧3.7可在该方向产生负刚度，抵消了第一侧向压缩弹簧3.4、第三侧向压缩弹簧3.6的正刚度，故ox方向的恢复刚度为零；同理，第一侧向压缩弹簧3.4、第三侧向压缩弹簧3.6可以在oy方向产生负刚度，抵消第二侧向压缩弹簧3.5、第四侧向压缩弹簧3.7的正刚度，故oy方向的恢复刚度也为零，故隔振模块2在ox,oy,oz三个方向均有零刚度特性。当所述六自由度隔振器的每个隔振模块3在三个平动方向的恢复刚度均为零，则整个隔振器在三个平动方向的恢复刚度自然为零，又由于隔振器在转动方向的恢复刚度是由隔振模块3在平动方向的恢复刚度提供的，故隔振器在三个转动方向的恢复刚度也为零。

Claims (3)

1.一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器，其特征在于：包括固定的外框架(1)、设置在外框架(1)内的被隔振箱体(2)以及分别分布于被隔振箱体(2)的六个面上连接外框架(1)和被隔振箱体(2)的隔振模块(3)；Oz方向为承载方向，被隔振箱体(2)顶部和底部的面上的隔振模块(3)承受被隔振箱体(2)的重量；所述隔振模块(3)包括与外框架(1)固定的框架(3.1)，与被隔振箱体(2)固定的连接件(3.2)，所述框架(3.1)内部垂向有一垂向压缩弹簧(3.3)，侧向有四个相同的侧向压缩弹簧，分别为第一侧向压缩弹簧(3.4)、第二侧向压缩弹簧(3.5)、第三侧向压缩弹簧(3.6)和第四侧向压缩弹簧(3.7)，四个相同的压缩弹簧与框架(3.1)和连接件(3.2)之间均通过关节轴承(3.8)连接，保证压缩弹簧相对框架(3.1)和连接件(3.2)均能够自由转动；所述六自由度准零刚度隔振器具有对称性，故三个平动方向具有相同的恢复力特性，三个转动方向具有相同的恢复力矩特性。
2.权利要求1所述一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器的设计方法，其特征在于：
初步设计时，不考虑隔振器的承载，此时六个隔振模块(3)具有相同的物理参数和几何参数，当考虑承载时，只需要调节被隔振箱体(2)顶部和底部的面上的隔振模块(3)的垂向压缩弹簧(3.3)的压缩量；
当所述的六自由度准零刚度隔振器不承载时，假设所述的被隔振箱体(2)的边长为2a；所述的垂向压缩弹簧(3.3)的刚度为k1，压缩后的长度为L1，压缩量为ΔL1；所述四个相同的侧向压缩弹簧的刚度为k2，压缩后的长度为L2，压缩量为ΔL2；
要在平动方向和转动方向达到准零刚度特性，只需满足如下两个条件：
K＝2k1·(1-2·ΔL1/L1)+8k2·(1-2·ΔL2/L2)＝0 公式(1.1)
Kθ＝-4k1a·(a+L1)·ΔL1/L1+8k2a2·(1-ΔL2/L2)＝0 公式(1.2)
当所述六自由度准零刚度隔振器承载时，假设承载重量为mg，则被隔振箱体(2)顶部面V上的隔振模块(3)的垂向压缩弹簧(3.3)的压缩量修改为ΔL1-ΔL，底部面VI上的隔振模块(3)的垂向压缩弹簧(3.3)的压缩量修改为ΔL1+ΔL，隔振器的其他参数不变；此时，隔振器的准零刚度条件不发生改变；为了平衡承载重量，增加如下关系
ΔL＝mg/(2k1) 公式(1.3)
所述的六自由度准零刚度隔振器，在满足准零刚度的条件下，通过增大比值L2/L1来降低恢复刚度、恢复扭转刚度的非线性程度，避免影响隔振性能。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：各参数按如下方式选取
k2/k1＝0.25,ΔL1/L1＝0,ΔL2/L2＝1 公式(1.4)
此时垂向压缩弹簧(3.3)的压缩量为零。
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