CN108386487B - 单自由度扭转超低频隔振机构 - Google Patents

单自由度扭转超低频隔振机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单自由度扭转超低频隔振机构，包括：两个通过扰动输入轴固定连接的基础平台，其具有两个斜向上延伸且相互垂直的支撑架，在重力平衡状态下，该基础平台相对于通过扰动输入轴轴心的竖直平面对称；隔振输出平台，设置在扰动输入轴的上方；其中，每一支撑架和隔振输出平台之间均设置有悬挂机构，位于同一基础平台侧的两个悬挂机构之间通过弹簧阻尼支链连接，构成多环耦合机构，机构自身具有自由度为1的转动自由度；通过合理的机构尺寸设计，使得隔振机构具有准零刚度特性。本发明的隔振机构具有结构简单、自身重量轻、承载能力强的优点，可实现平面单自由度扭转方向的超低频振动隔离运动，满足舰/船载设备的超低频隔振需求。

Description

单自由度扭转超低频隔振机构
技术领域
本发明涉及低频、超低频隔振技术，尤其涉及一种多环耦合的超低频扭转隔振机构。
背景技术
非线性被动隔振器已广泛应用于低频、超低频隔振，由于其刚度具有强非线性，因此其性能明显优于传统线性隔振。准零刚度隔振器也是一种强非线性隔振器，其满足高静态低动态的刚度特性，在中心平衡位置刚度非常接近或等于零。英国南安普顿大学的Carrella首先提出了准零刚度隔振的基本概念，并对其动力学基本特性进行了分析，从理论角度证明其低频隔振的可行性。正负刚度并联构成准零刚度隔振机构的方式出现后，准零刚度隔振机构的研究有了较大发展，解决了垂直方向低频隔振的难题。
扭转、摇摆低频振动在实际生活中比较常见，如船舶在海浪、海风等作用下产生摇摆振动、航天员在空间站运动锻炼时导致空间站扭转低频振动等。随着高端精密设备的广泛使用，对舰/船载设备应用条件的要求也越来越严格，而扭转、摇摆低频运动的隔振研究近年来进展相对缓慢，大多数都是通过主动的方式进行隔离，如航天器通过动力陀螺稳定其低频扰动；同样，针对船舶设备摇摆振动衰减也主要以电动稳定平台的形式，采用纯被动隔离很少。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种结构简单、承载能力较强、自身质量轻的纯被动单自由度扭转隔振机构，具有高静态低动态的刚度特性，满足舰/船载设备的超低频隔振需求。
为了实现上述主要目的，本发明提供了一种单自由度扭转超低频隔振机构，其包括：
两个基础平台，二者通过扰动输入轴固定连接，并在扰动输入轴的轴向上间隔平行分布；其中，在初始重力平衡状态下，从扰动输入轴的纵向端部观察，每一基础平台均相对于通过扰动输入轴轴心的竖直平面左右对称，且每一基础平台均包括本体和固定设置在该本体上部的两个支撑架，两个支撑架自该本体斜向上延伸且相互垂直；
隔振输出平台，设置在扰动输入轴的上方；其中，每一支撑架和隔振输出平台之间均设置有结构相同的悬挂机构；
该悬挂机构包括靠近基础平台本体的第一悬挂杆、远离该本体的第二悬挂杆、活动杆和支撑杆；第一悬挂杆和第二悬挂杆的第一端分别与活动杆的两端形成转动副，第一悬挂杆和第二悬挂杆的第二端分别与支撑架形成转动副，第一悬挂杆、第二悬挂杆、活动杆和支撑架形成平行四边形机构；
其中，支撑杆垂直于活动杆，且支撑杆的第一端与活动杆的纵向中心固定连接，支撑杆的第二端与隔振输出平台形成转动副；
两条弹簧阻尼支链，其在初始重力平衡状态下平行于隔振输出平台，且每条弹簧阻尼支链的两端分别与位于同一基础平台侧的两条支撑杆的中间部分形成转动副；
其中，设第一悬挂杆和第二悬挂杆的杆长为l1，活动杆的杆长为l2，支撑杆的杆长为l3，位于同一基础平台侧的两根支撑杆与隔振输出平台所形成两个转动副之间的距离为l4，弹簧阻尼支链的初始长度为l5，弹簧阻尼支链和隔振输出平台与同一支撑杆所形成两个转动副之间的距离为d3，位于同一基础平台侧的两根第一悬挂杆与支撑架所形成两个转动副之间的距离为L，则：
根据本发明的一种具体实施方式，隔振输出平台上固定设置有两根在扰动输入轴的轴向上间隔平行分布的输出杆，支撑杆与输出杆的纵向端部铰接，以便于在支撑杆和隔振输出平台之间形成转动副。
优选地，输出杆在扰动输入轴的轴向上设置在隔振输出平台的末端。
根据本发明的另一具体实施方式，支撑架上固定设置有固定杆，固定杆的纵向两端分别与第一悬挂杆和第二悬挂杆的第二端铰接，以便于在第一悬挂杆和第二悬挂杆与相应的支撑架之间形成转动副。
根据本发明的再一具体实施方式，在初始重力平衡状态下，弹簧阻尼支链处于自然伸长状态。
优选地，弹簧阻尼支链所采用的弹簧为线性弹簧，例如气压准线性弹簧、线性螺旋弹簧。其中，线性螺旋弹簧是特别优选的。
根据本发明的又一具体实施方式，支撑架形成为杆状。
本发明的隔振机构具有结构简单、承载能力较强、自身质量轻的优点，在初始重力平衡状态下(无扭转扰动输入时)前后、左右对称，位于同一基础平台侧的两个悬挂机构之间通过弹簧阻尼支链连接，构成多环耦合机构，但机构自身具有自由度为1的转动自由度；同时，通过合理的机构尺寸设计，使得隔振机构具有准零刚度特性，充分利用非线性准零刚度下高静态低动态刚度特性的优点，能有效降低舰/船摇摆低频振动对设备的影响，满足舰/船载设备的超低频隔振需求。
为了更清楚地阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明隔振机构实施例的立体结构模型图；
图2为本发明隔振机构实施例的俯视图；
图3为本发明隔振机构实施例的主视图；
图4为本发明隔振机构实施例的左视图；
图5为本发明隔振机构实施例的单侧隔振运动示意图。
具体实施方式
如图1至4所示，作为本发明实施例的隔振机构中，两个基础平台通过扰动输入轴102固定连接，并在扰动输入轴102的轴向上间隔平行分布，实现基础平台绕输入轴102的轴心转动。两个基础平台具有相同的结构，以位于图1左侧的基础平台为例，并结合图4对其结构进行说明：在初始重力平衡状态下(无扭转扰动输入时)，从扰动输入轴102的纵向端部观察，基础平台相对于通过扰动输入轴102轴心的竖直平面左右对称，包括本体101a以及固定设置在本体101a上部的两个支撑架103a和106a，两个支撑架103a和106a均形成为杆状，二者自本体101a斜向上延伸且相互垂直，即支撑架103a和支撑架106a与水平面的夹角均成45°。
隔振输出平台401设置在扰动输入轴102的上方，隔振输出平台401上固定设置有两根在扰动输入轴102的轴向上间隔平行分布且位于隔振输出平台401末端的输出杆402a和402b。每一支撑架和隔振输出平台401之间均设置有结构相同的悬挂机构；如图1至4所示，作为本发明实施例的隔振机构前后、左右对称，根据对称性，位于图1中左侧和右侧悬挂机构的结构相同。以下，选取位于图1中左侧的两个悬挂机构进行说明。
图4示出了位于图1中左侧的两个悬挂机构。如图1所示，支撑架103a上固定设置有固定杆201a，固定杆201a的两端分别通过固接孔104a和105a固定于支撑架103a。结合图1和4所示，与支撑架103a相连的悬挂机构包括第一悬挂杆203a、第二悬挂杆202a、活动杆204a和支撑杆205a；其中，第一悬挂杆203a和第二悬挂杆202a的第一端分别与活动杆204a的两端形成转动副209a和207a，第一悬挂杆203a和第二悬挂杆202a的第二端分别与固定杆201a的纵向两端铰接，以与支撑架103a形成转动副208a和206a，第一悬挂杆203a、第二悬挂杆202a、活动杆204a和支撑架103a形成平行四边形机构。支撑杆205a垂直于活动杆204a，且支撑杆205a的第一端与活动杆204a的纵向中心固定连接，支撑杆205a的第二端与输出杆402a的第一端铰接，以与隔振输出平台401形成转动副210a。
如图4所示，支撑架106a上固定设置有固定杆301a，固定杆301a的两端分别通过固接孔固定于支撑架106a。根据对称性，与支撑架106a相连的悬挂机构和与支撑架103a相连的悬挂机构的结构相同。具体地，与支撑架106a相连的悬挂机构包括第一悬挂杆303a、第二悬挂杆302a、活动杆304a和支撑杆305a；其中，第一悬挂杆303a和第二悬挂杆302a的第一端分别与活动杆304a的两端形成转动副309a和307a，第一悬挂杆303a和第二悬挂杆302a的第二端分别与固定杆301a的纵向两端铰接，以与支撑架106a形成转动副308a和306a，第一悬挂杆303a、第二悬挂杆302a、活动杆304a和支撑架106a形成平行四边形机构。支撑杆305a垂直于活动杆304a，且支撑杆305a的第一端与活动杆304a的纵向中心固定连接，支撑杆305a的第二端与输出杆402a的第二端铰接，以与隔振输出平台401形成转动副310a。
本发明的隔振机构还包括两条弹簧阻尼支链，其在初始重力平衡状态下平行于隔振输出平台401，且每条弹簧阻尼支链的两端分别与位于同一基础平台侧的两条支撑杆的中间部分(即在纵向上位于支撑杆两端之间的部分)形成转动副。根据对称性，两条弹簧阻尼支链的结构相同；以图4所示一侧为例，弹簧阻尼支链501a的两端分别与支撑杆205a和305a的中间部分形成转动副502a和503a，其中间部分的弹簧为线性螺旋弹簧。在初始重力平衡状态下，弹簧阻尼支链501a处于自然伸长状态。由此可见，本发明的隔振机构中，位于同一基础平台侧的两个悬挂机构之间通过弹簧阻尼支链501a连接，构成多环耦合机构，但机构自身具有自由度为1的转动自由度。
本发明通过合理的机构尺寸设计，使得隔振机构具有准零刚度特性，充分利用非线性准零刚度下高静态低动态刚度特性的优点，能有效降低舰/船摇摆低频振动对设备的影响，满足舰/船载设备的超低频隔振需求。具体地，如图5所示，为了满足其准零刚度特性，本发明的隔振机构需满足如下尺寸关系：
设第一悬挂杆203a、303a和第二悬挂杆202a、302a的杆长(即位于该悬挂杆纵向端部的两个转动副转心之间的距离)为l1，活动杆204a、304a的杆长(即位于活动杆纵向端部的两个转动副转心之间的距离)为l2，支撑杆205a和305a的杆长(即支撑杆和活动杆的连接点与支撑杆和隔振输出平台所形成转动副转心之间的距离)为l3，位于同一基础平台侧的两根支撑杆205a、305a与隔振输出平台401所形成两个转动副之间的距离(即转动副210a和310a转心之间的距离)为l4，弹簧阻尼支链501a的初始长度(即初始状态下转动副502a和503a转心之间的距离)为l5，弹簧阻尼支链501a和隔振输出平台401与同一支撑杆所形成两个转动副之间的距离(即转动副502a和210a转心之间以及转动副503a和310a转心之间的距离)为d3，位于同一基础平台侧的两根第一悬挂杆203a和303a与相应支撑架所形成两个转动副之间的距离(即转动副208a和308a转心之间的距离)为L，则隔振机构满足如下几何关系：
如图1和5所示，当隔振机构处于初始位置时(无扭转扰动输入时)，支撑杆205a和305a均与水平面成45°夹角，且支撑杆205a和305a杆长方向的延长线在隔振输出平台401上方垂直相交，交点即为隔振输出平台401转动运动的中心602。由于虚拟的转动中心602位于隔振输出平台401的上方，更适合配置被隔振物(负载)的重心位置，具有承载能力大的优点。其中，设转动中心602与隔振输出平台401的距离为d1，则：
使用过程中，放置在隔振输出平台401上的被隔振物601的重心最佳地被配置为与转动中心602重合，从而达到最佳的隔振效果。
虽然以上通过优选实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的发明范围内，凡依照本发明所作的同等改进，应为本发明的保护范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种单自由度扭转超低频隔振机构，包括：
两个基础平台，二者通过扰动输入轴固定连接，并在所述扰动输入轴的轴向上间隔平行分布；其中，在初始重力平衡状态下，从所述扰动输入轴的纵向端部观察，每一所述基础平台均相对于通过所述扰动输入轴轴心的竖直平面左右对称，且每一所述基础平台均包括本体以及固定设置在所述本体上部的两个支撑架，所述两个支撑架自所述本体斜向上延伸且相互垂直；
隔振输出平台，设置在所述扰动输入轴的上方；其中，每一所述支撑架和所述隔振输出平台之间均设置有结构相同的悬挂机构；
所述悬挂机构包括靠近所述本体的第一悬挂杆、远离所述本体的第二悬挂杆、活动杆和支撑杆；所述第一悬挂杆和所述第二悬挂杆的第一端分别与所述活动杆的两端形成转动副，所述第一悬挂杆和所述第二悬挂杆的第二端分别与所述支撑架形成转动副，所述第一悬挂杆、所述第二悬挂杆、所述活动杆和所述支撑架形成平行四边形机构；
所述支撑杆垂直于所述活动杆，且所述支撑杆的第一端与所述活动杆的纵向中心固定连接，所述支撑杆的第二端与所述隔振输出平台形成转动副；
两条弹簧阻尼支链，其在初始重力平衡状态下平行于所述隔振输出平台，且每条所述弹簧阻尼支链的两端分别与位于同一所述基础平台侧的两条所述支撑杆的中间部分形成转动副；
其中，设所述第一悬挂杆和所述第二悬挂杆的杆长为l1，所述活动杆的杆长为l2，所述支撑杆的杆长为l3，位于同一所述基础平台侧的两根所述支撑杆与所述隔振输出平台所形成两个转动副之间的距离为l4，所述弹簧阻尼支链的初始长度为l5，所述弹簧阻尼支链和所述隔振输出平台与同一所述支撑杆所形成两个转动副之间的距离为d3，位于同一所述基础平台侧的两根所述第一悬挂杆与所述支撑架所形成两个转动副之间的距离为L，则：
2.如权利要求1所述的隔振机构，其中，所述隔振输出平台上固定设置有两根在所述扰动输入轴的轴向上间隔平行分布的输出杆，所述支撑杆与所述输出杆的纵向端部铰接。
3.如权利要求2所述的隔振机构，其中，所述输出杆在所述扰动输入轴的轴向上设置在所述隔振输出平台的末端。
4.如权利要求1所述的隔振机构，其中，所述支撑架上固定设置有固定杆，所述固定杆的纵向两端分别与所述第一悬挂杆和所述第二悬挂杆的第二端铰接。
5.如权利要求1所述的隔振机构，其中，在初始重力平衡状态下，所述弹簧阻尼支链处于自然伸长状态。
6.如权利要求5所述的隔振机构，其中，所述弹簧阻尼支链所采用的弹簧为线性弹簧。
7.如权利要求6所述的隔振机构，其中，所述线性弹簧为线性螺旋弹簧。
8.如权利要求1所述的隔振机构，其中，所述支撑架形成为杆状。
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