CN106870615B - 一种基于正负刚度并联原理的盘形非线性低频隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正负刚度并联原理的盘形非线性低频隔振器，由动力输入部分、拉簧系统、压簧系统和外壳构成，拉簧系统实现正刚度，压簧系统实现负刚度，二者结合使系统静态力‑位移曲线呈现准零刚度特性。本发明延续了非线性隔振器的优良隔振性能，同时通过调节螺纹结构，以及增减拉簧组的个数，可以大幅提高隔振器的适用隔振质量范围，克服了普通非线性隔振器隔振质量范围小的缺点。

Description

一种基于正负刚度并联原理的盘形非线性低频隔振器

技术领域

本发明属于低频隔振领域，具体涉及一种具有较大隔振质量调节范围的基于正负刚度并联原理的盘形非线性低频隔振器。

背景技术

工程中的低频振动影响设备的稳定性和精度，使零件强度降低甚至发生疲劳破坏，造成不必要的损失，同时也会带来噪声污染，一些领域中的低频振动还会危害工作人员的身心健康。为了解决这种局限，有效的低频隔振设计是各个工程领域的研究重点。

由传统被动隔振理论，线性隔振系统对中高频振动的隔离效果较好，但由于其变形和刚度之间的矛盾，隔离低频振动的性能较差。因此，线性隔振系统难以满足工程领域的多种低频隔振需求。如果采用主动、半主动隔振，虽然可实现好的低频隔振性能，但会涉及到控制技术，增大了系统复杂程度，难以避免结构过大，且能源消耗大及成本高昂。

基于正负刚度并联原理的非线性隔振系统能够克服线性隔振系统的不足，低频隔振性能好，因此受到各领域研究人员的重视。但是要确保这种系统的良好隔振性能，必须要求实际载荷不能与其平衡载荷之间有较大偏差。通过设计调整装置，可以增大隔振系统的质量适用范围，但现有系统的质量调整范围仍存在不足，即无法进行大范围调整。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于正负刚度并联原理的低频隔振器。它利用多组弹簧组成非线性系统，每组中一个弹簧提供正刚度，另一个弹簧提供负刚度，由于特殊的机械结构设计，隔振器将外界传递的振动转化为主轴的转动。其优势是可以根据载荷灵活调整弹簧的组数和预紧力，扩展了隔振质量范围，具有较强的适应性，具有较好的低频隔振效果。

本发明包括动力输入部分、拉簧系统、压簧系统和外壳，动力输入部分由导杆、导杆套、外壳套筒、定位螺栓、销轴、竖连杆、横连杆以及花键轴组成，导杆为本发明与被隔振对象的连接件，二者通过导杆末端的法兰相连。导杆套与导杆过盈配合，与外壳套筒为间隙配合，以使导杆可以在外壳套筒的限制下做直线运动。外壳套筒通过螺栓固定在外壳箱外壁上。

所述的导杆、导杆套和外壳套筒中部均有贯通的径向孔，在没有负载的情况下，定位螺栓可以穿过导杆、导杆套和外壳套筒。使导杆的位置相对于外壳套筒固定。

所述的导杆与竖连杆通过销轴铰接，销轴上有开口销用于限制销轴轴向位置，本发明的铰接均采用此种方式，故以下不再赘述。竖连杆与横连杆通过销轴铰接，横连杆末端为一内花键套横连杆通过内花键套嵌套在花键轴中部。

所述的拉簧系统由拉簧花键套、数个拉簧以及拉簧调节机构组成。拉簧花键套嵌套在所述的花键轴一端，拉簧花键套周围径向铰接数个拉簧，拉簧另一端铰接有拉簧调节机构。

所述的拉簧调节机构由拉簧调节螺栓以及拉簧调节螺母组成，拉簧调节螺栓穿过外壳箱的光孔，拉簧调节螺栓末端旋合有拉簧调节螺母，调节拉簧调节螺母即可调节对应拉簧的预紧力。

所述的压簧系统由压簧花键套、数个压簧连接、数个压簧以及压簧调节机构组成，压簧花键套嵌套在所述的花键轴的另一端，压簧花键套周围铰接数个压簧连接，压簧连接端部嵌套数个压簧，数个压簧另一端嵌套在压簧连接端部凸台上，此种布置以实现压簧的自由伸缩和转动，同时还不至于在变形过程中造成压簧的失稳。压簧连接与压簧调节机构铰接。

所述的压簧调节机构由压簧调节件和压簧调节螺栓构成，压簧调节件一端有盲孔，供压簧调节螺栓定位。压簧调节螺栓旋合在外壳箱的螺纹孔上，调节压簧调节螺栓即可调整压簧预紧力。

所述的外壳包括外壳箱，限位块、外壳盖、轴承及轴承盖。其中，限位块通过螺栓固定在外壳箱的内壁上，起到限制压簧调节件的位置并提供滑动方向的作用。外壳盖通过螺栓固定在外壳箱的肋板上。轴承镶嵌在外壳盖中央的通孔中。轴承盖固定在外壳盖上，其侧面凸起的环状结构嵌入外壳盖中央通孔中，端部顶在轴承外圈上，以限制轴承的轴向位置。

本发明的有益效果：

利用多组弹簧组成非线性系统，每组中一个弹簧提供正刚度，另一个弹簧提供负刚度，由于特殊的机械结构设计，隔振器将外界传递的振动转化为主轴的转动。其优势是可以根据载荷灵活调整弹簧的组数和预紧力，扩展了隔振质量范围，具有较强的适应性，具有较好的低频隔振效果。

附图说明

图1是本发明的动力输入部分立体示意图。

图2是本发明的拉簧系统立体示意图。

图3是本发明的压簧系统的立体示意图。

图4是本发明的立体示意图。

图5是本发明所呈现的非线性力-位移特性曲线图。

图6是本发明的调节拉簧预紧力的示意图。

图7是本发明的调节压簧预紧力的示意图。

图中：1—动力输入部分，2—拉簧系统，3—压簧系统，4—外壳，11—导杆，12—外壳套筒，13—导杆套，14—定位螺栓，15—销轴，16—竖连杆，17—横连杆，18—花键轴，21—拉簧调节机构，211—拉簧调节螺栓，212—拉簧调节螺母，22—拉簧，23—拉簧花键套，31—压簧调节机构，311—压簧调节件，312—压簧调节螺栓，32—压簧，33—压簧连接，34—压簧花键套，41—外壳箱，42—限位块，43—外壳盖，44—轴承，45—轴承盖。

具体实施方式

如图4所示，本发明包括动力输入部分1、拉簧系统2、压簧系统3和外壳4，工作时，此装置的外壳部分与振动输入源固连，动力输入部分1的导杆11末端法兰与被隔振对象固连。

如图1所示，所述的动力输入部分1由导杆11、外壳套筒12、导杆套13、定位螺栓14、销轴15、竖连杆16、横连杆17以及花键轴18组成，其中，导杆11为与被隔振对象的连接件，导杆11与被隔振对象之间通过导杆11末端的法兰相连，导杆套13套在导杆11上，外壳套筒12套在导杆套13上，导杆套13与导杆11过盈配合，导杆套13与外壳套12为间隙配合，以使导杆11可以在外壳套筒12的限制下做直线运动，外壳套筒12通过螺栓固定在外壳箱41的外壁上。

所述的导杆11、导杆套13和外壳套筒12中部均有贯通的径向孔，在没有负载的情况下，定位螺栓14能穿过导杆11、导杆套13和外壳套筒12，使导杆11的位置相对于外壳套筒12固定。

所述的导杆11与竖连杆16通过销轴15铰接，销轴15上有开口销用于限制销轴15轴向位置，竖连杆16与横连杆17通过销轴15铰接，横连杆17末端为一内花键套，横连杆17通过内花键套嵌套在花键轴18中部。

当振动源无振动即本发明处于静态时，被隔振对象由于自重可以使导杆11上的径向孔与外壳套筒12上的径向孔重合，此时卸下横贯两者之间的定位螺栓14，将被隔振对象固定在导杆11上，导杆11和被隔振对象即可在外壳套筒12内自由振动。当振动源振动时，被隔振对象相对于振动源发生振动，这种振动形式通过相互铰接的导杆11、竖连杆16和横连杆17，传递到花键轴18上，运动形式也由导杆11的直线振动转换为花键轴18的往复摆动。

如图2所示，拉簧系统2由拉簧花键套23、数个拉簧22以及拉簧调节机构21组成，拉簧花键套23嵌套在花键轴18一端，拉簧花键套23周围径向铰接数个拉簧22，各拉簧22另一端铰接有拉簧调节机构21。

如图6所示，所述的拉簧调节机构21由拉簧调节螺栓211以及拉簧调节螺母212组成，拉簧调节螺栓211穿过外壳箱41，拉簧调节螺栓211末端旋合有拉簧调节螺母212，调节拉簧调节螺母212即可调节对应拉簧22的预紧力。

花键轴18带动拉簧花键套23往复摆动，从而使得数个拉簧22发生伸缩变形和可以忽略的小幅转动。因此，作用于导杆11上用于平衡拉簧22作用的力与导杆11位移形成的刚度曲线呈正刚度特性。

如图3所示，所述的压簧系统3由压簧花键套34、数个压簧连接件33、数个压簧32以及压簧调节机构31组成，压簧花键套34嵌套在花键轴18的另一端，压簧花键套34周围铰接数个压簧连接件33，压簧连接件33端部嵌套数个压簧32，各压簧32另一端嵌套在压簧连接件33端部凸台上，此种布置以实现压簧32的自由伸缩和转动，同时还不至于在变形过程中造成压簧32的失稳。压簧连接件33与压簧调节机构31铰接。

如图7所示，所述的压簧调节机构31由压簧调节件311和压簧调节螺栓312构成，压簧调节件311一端有盲孔，供压簧调节螺栓312定位。压簧调节螺栓312旋合在外壳箱41的螺纹孔上，调节压簧调节螺栓312即可调整压簧32预紧力。

如图4和图7所示，所述的外壳4包括外壳箱41、限位块42、外壳盖43、轴承44及轴承盖45，限位块42通过螺栓固定在外壳箱41的内壁上，起到限制压簧调节件311的位置并提供滑动方向的作用，外壳盖43通过螺栓固定在外壳箱41的肋板上，轴承44镶嵌在外壳盖43中央的通孔中，轴承盖45固定在外壳盖43上，轴承盖45侧面凸起的环状结构嵌入外壳盖43中央通孔中，轴承盖45端部顶在轴承44外圈上，以限制轴承44的轴向位置。

花键轴18带动压簧花键套34往复摆动，从而使数个压簧32发生伸缩变形和往复转动。当导杆11经过平衡位置向下运动时，压簧32从竖直状态变为斜置状态，压簧32弹力减小，但弹力对花键轴18的力矩半径却增大，最终使得弹力的力矩先减小后增大，导杆11经平衡位置向上运动时也有类似的情况出现。最终，作用于导杆11上用于平衡压簧32作用的力与导杆11位移形成的刚度曲线呈负刚度特性。

拉簧系统2与压簧系统3的正负刚度结合，使本发明整体的力-位移曲线呈现图5所示的准零刚度非线性特性。当隔振器的工作状态处于工作区时，本发明有较大承载能力，且当导杆11在工作区间振动时，可以保持较稳的对外作用力。当隔振器工作状态处于非工作区时，力位移曲线的大刚度特点可以起到限制振动的作用。

在本发明中，如图6和图7所示，调节拉簧系统2和压簧系统3末端的拉簧调节螺母212以及压簧调节螺栓312可以分别增加拉簧22及压簧32的预紧力，以使不同质量的被隔振对象都可以在静态处于平衡位置。此外，任意两个拉簧22和压簧32作为一组弹簧时都可以实现图5所示的非线性特性，因此增减相同数量的拉压弹簧组可以大幅提高本发明的隔振质量范围。再者，本发明中导杆套13与外壳套筒12之间的摩擦可以为本发明提供部分阻尼以耗散振动能量，具体实施过程中可以增加阻尼器以提高本发明的隔振效果。

Claims (1)

1.一种基于正负刚度并联原理的盘形非线性低频隔振器，其特征在于：包括动力输入部分(1)、拉簧系统(2)、压簧系统(3)和外壳(4)，外壳(4)与振动输入源固连，动力输入部分(1)的导杆(11)末端与被隔振对象固连；

所述的动力输入部分(1)由导杆(11)、外壳套筒(12)、导杆套(13)、定位螺栓(14)、销轴(15)、竖连杆(16)、横连杆(17)以及花键轴(18)组成，其中，导杆(11)为与被隔振对象的连接件，导杆(11)与被隔振对象之间通过导杆(11)末端的法兰相连，导杆套(13)套在导杆(11)上，外壳套筒(12)套在导杆套(13)上，导杆套(13)与导杆(11)过盈配合，导杆套(13)与外壳套筒(12)为间隙配合，以使导杆(11)可以在外壳套筒(12)的限制下做直线运动，外壳套筒(12)通过螺栓固定在外壳箱(41)的外壁上；所述的导杆(11)、导杆套(13)和外壳套筒(12)中部均有贯通的径向孔，在没有负载的情况下，定位螺栓(14)能穿过导杆(11)、导杆套(13)和外壳套筒(12)，使导杆(11)的位置相对于外壳套筒(12)固定；所述的导杆(11)与竖连杆(16)通过销轴(15)铰接，销轴(15)上有开口销用于限制销轴(15)轴向位置，竖连杆(16)与横连杆(17)通过销轴(15)铰接，横连杆(17)末端为一内花键套，横连杆(17)通过内花键套嵌套在花键轴(18)中部；

所述的拉簧系统(2)由拉簧花键套(23)、数个拉簧(22)以及拉簧调节机构(21)组成，拉簧花键套(23)嵌套在花键轴(18)一端，拉簧花键套(23)周围径向铰接数个拉簧(22)，各拉簧(22)另一端铰接有拉簧调节机构(21)；所述的拉簧调节机构(21)由拉簧调节螺栓(211)以及拉簧调节螺母(212)组成，拉簧调节螺栓(211)穿过外壳箱(41)，拉簧调节螺栓(211)末端旋合有拉簧调节螺母(212)，调节拉簧调节螺母(212)即可调节对应拉簧(22)的预紧力；

所述的压簧系统(3)由压簧花键套(34)、数个压簧连接件(33)、数个压簧(32)以及压簧调节机构(31)组成，压簧花键套(34)嵌套在花键轴(18)的另一端，压簧花键套(34)周围铰接数个压簧连接件(33)，压簧连接件(33)端部嵌套数个压簧(32)，各压簧(32)另一端嵌套在压簧连接件(33)端部凸台上；压簧连接件(33)与压簧调节机构(31)铰接；所述的压簧调节机构(31)由压簧调节件(311)和压簧调节螺栓(312)构成，压簧调节件(311)一端有盲孔，供压簧调节螺栓(312)定位；压簧调节螺栓(312)旋合在外壳箱(41)的螺纹孔上，调节压簧调节螺栓(312)能调整压簧(32)预紧力；

所述的外壳(4)包括外壳箱(41)、限位块(42)、外壳盖(43)、轴承(44)及轴承盖(45)，限位块(42)通过螺栓固定在外壳箱(41)的内壁上，起到限制压簧调节件(311)的位置并提供滑动方向的作用，外壳盖(43)通过螺栓固定在外壳箱(41)的肋板上，轴承(44)镶嵌在外壳盖(43)中央的通孔中，轴承盖(45)固定在外壳盖(43)上，轴承盖(45)侧面凸起的环状结构嵌入外壳盖(43)中央通孔中，轴承盖(45)端部顶在轴承(44)外圈上，以限制轴承(44)的轴向位置。