CN108644311B - 一种基于硬化立方刚度吸振器实现方法及吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于硬化立方刚度吸振器实现方法及吸振器，根据非线性能量陷阱原理(NES)，具有强非线性立方刚度的减振结构，可以使主结构振动能量通过靶向能量传递的方式迅速聚集在NES振子中，并通过阻尼在NES振子中消散。本发明以正弦机构为基础。配合螺线轨道变摇杆长度装置、滚珠丝杠装置和齿轮齿条装置，使振子回复力满足位移立方刚度F＝KX³的设计要求。并据此给出了吸振器实例，为最终实现吸振器振动能量的靶向传递提供了可能。本发明优点：1、方法简单精度高；2、结构紧凑可靠；3、便于理论分析。

Description

一种基于硬化立方刚度吸振器实现方法及吸振器

技术领域

本发明涉及一种工程结构振动控制技术，具体说就是一种具有硬化立方刚度动力吸振器。

背景技术

线性吸振器技术减振是最常用的结构被动控制方法之一。当振子频率调至与主体结构频率相近时，可通过质量块的反相振动消耗能量。然而传统线性吸振器的适用频带较窄，只在吸振器固有频率处的振动抑制性能较好。

有学者提出一种新型非线性吸振振子并命名为“非线性能量阱”(nonlinearenergy sink，NES)。这种振子含有硬化立方非线性刚度，硬化代表弹簧刚度大且具有非线性，而立方刚度是指振子的回复力与其在距离平衡位置的位移量成三次方比例关系F＝kX³，与线性振子不同的是，非线性能量阱产生的非线性回复力，使其在结构动力特性发生变化时依然保持较好的减振效果。并且可以实现靶能量传递(Targeted Energy Transfer,TET)，即在特定条件下，原振动系统的振动能量会单向地流向NES振子，从而保证振动主体的安全。

第一款具有实物意义的NES振子是通过利用拉紧的弦的几何非线性来实现硬化立方非线性刚度。目前用于研究的实物NES振子基本都应用此思路，使用具有固定弹性系数的弹簧或者弦，与振子振动位移方向成垂直关系，形成类似弓弩形状的结构来实现立方非线性刚度，然而这种结构需要较大的空间来容纳拉紧的弹性元件。不便于工程使用，其立方刚度的实现依赖于弦的初始拉力为0，且只在小位移的条件下才能近似满足立方刚度的要求。

由于NES振子特殊的振动特点，有人在工程实用方面做出了尝试。例如:公开号为CN 103306316 A、CN106639022 A和CN 106787593的发明专利申请，在其说明书中公开了“一种新型非线性减震器”、“基于非线性能量阱的三维复合摩擦摆隔振器”和“一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置”都对于此类振子的工程应用给出了具体思路。但是对于NES减振结构中的关键问题，即硬化立方刚度的实现并没有给出详细具体的可行方法。

发明内容

本发明针对目前非线性立方刚度吸振器存在的问题，提出一种硬化立方刚度动力吸振器实现方法及吸振器。

本发明的技术方案为：

一种基于硬化立方刚度吸振器的实现方法，其特征在于：以一个正弦机构为主体，得到了振子回复力F是角度位移量θ二次方的函数关系:F＝0.5K·R·θ²，其中K为弹性元件弹性系数，R为摇杆长度；在此基础上通过螺线轨道限制滚子的运动轨迹，使正弦机构中的摇杆长度R与角位移量θ成正比例关系，即R＝C·θ其中C为比例系数；则振子的回复力方程变为F＝0.5K·C·θ³；通过齿轮齿条装置保证弹簧支座位移等于摇杆长度R，再通过一个接入输入端的滚珠丝杆装置，使角位移量θ转化为位移量X,使得θ＝λ·X，其中λ为速度转换比，即F＝K·C·0.5·λ³·X³＝k·X³,满足了NES振子的立方刚度的要求；

所述正弦机构包括支座、摇杆、滚子、滑块、滑动导轨和弹簧支座；滑块受到滑动轨道限制做平行直线运动，滑块内部有与其运动方向垂直的内侧轨道，滑动轨道的对称轴与摇杆旋转中心在同一条直线上，当摇杆摆动一定角度时，摇杆末端的滚子将通过滑块内轨道推动滑块做直线运动。

本发明进一步公开了实现所述方法的吸振器，包括固定支座上固定有滑动导轨、弹性元件、滚珠螺母和圆盘，其中轨道圆盘通过螺栓连接在固定支座上,圆盘上设置对称的螺线轨道；弹性元件一端与弹簧支座固定，弹性元件另一端连接滑块；滚子为一圆柱体，滚子下端连接长方体滑动块，所述长方体滑动块在滑块的滑槽内滑动，滑块沿滑动导轨往复直线运动；滚子上端设置在摇杆的滑槽内；滚子的圆柱体穿过圆盘上设置的螺线轨道；摇杆上端连接丝杆，与滚珠螺母构成滚珠丝杆副，丝杆底部开有与摇杆内导轨尺寸相同的通槽供滚子通过。

为实现摇杆长度R与角位移位移θ正比例关系，螺线轨道的基线为螺线，极径R随转角θ的增加而成比例增加，其中的比例系数C＝R/θ，取0≤θ≤45°该部分的螺线水平对称来作为轨道基线，轨道宽度为滚子的直径。

齿轮齿条装置为：摇杆与丝杆之间设有齿轮，所述齿轮与齿条啮合，齿条下端与弹簧支座固定，取齿轮节圆半径为比例系数C，则当摇杆转动θ时，齿轮会带动齿条连接的弹簧支座产生数量为R＝C·θ的位移量；齿条厚度要大于齿轮厚度来保证啮合。

本发明与现有技术相比，其有益效果如下：

1、本发明的振子硬化立方刚度实现方法简单准确、利用组合的正弦机构，不需要调节弹性元件的初始拉力，滚珠丝杠装置增加了工作行程，克服了传统NES振子大位移下精度不足的局限。

2、本发明结构紧凑、可靠，利用正弦机构组合体替代了张紧的弦结构做为非线性刚度元件，大大的节省了所占空间，相比传统裸露在外的弦结构耐脏，耐用。具有更高的可靠性。有一定的工程实用价值。

3、本发明便于设计分析，该硬化立方刚度结构的回复力方程中各参数物理意义明确，便于测量。使之不仅具有一定的工程价值，也是探索硬化立方刚度振子非线性现象的良好实验平台。

附图说明

图1为正弦机构示意图。

图2为摇杆变长度原理示意图。

图3为螺线轨道结构图。

图4为摇杆变长度装置结构图。

图5为齿轮齿条装置结构图。

图6为立方刚度吸振器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明的主体结构为一正弦机构，包括支架1、摇杆2、滚子3、滑块4、滑动导轨5、弹性元件6和弹簧支座7；摇杆2为输入端，绕支架1旋转运动，摇杆2通过滚子3带动滑块4做直线运动，滑块4通过弹性元件6与弹簧支座7相连接。滑块4受到滑动轨道5限制做平行其的直线运动，滑块4内部有与运动方向垂直的内侧轨道，滑动轨道5与摇杆2旋转中心在一条直线上，当摇杆2摆动一定角度θ时，摇杆末端的滚子3将通过滑块4内侧轨道推动滑块做直线运动。

如图1所示，根据机构几何关系，可得滑块4的位移量Y＝R-R·cosθ＝R(1-cosθ)。其中R为摇杆2长度，θ为摇杆角位移。由级数理论可知，函数cosθ在一定取值范围内可近似为函数1-0.5·θ²。即Y＝R(1-cosθ)≈R(1-(1-0.5·θ²))＝R·0.5·θ²。

滑块4在脱离平衡位置时所受到的回复力均可表达为：F＝K·Y，其中K为弹性元件的弹性系数。带入上式Y＝R·0.5·θ²。可得F＝K·Y＝K·R·0.5·θ²。

如图2所示，为实现满足立方刚度F＝kx³的特性，基本思想是依赖某种机构将上式中摇杆长度R构造成与角位移θ成正比例的关系，即R＝C·θ，其中C为比例系数。可得回复力为F＝K·R·0.5·θ²＝K·C·0.5·θ³。由此得到类似立方刚度的回复力方程的形式。

如图3所示，为实现摇杆长度R与角位移位移θ正比例关系，在圆盘8上布置一对称轨道9，轨道9的基线为螺线，极径R随转角θ的增加而成比例增加，即R1/θ1＝R2/θ2＝R3/θ3＝R4/θ4＝R5/θ5其中的比例系数C＝R/θ。考虑到函数cosθ近似为函数1-0.5·θ²在∣θ∣≤45°时，误差小于2％，所以只取0≤θ≤45°该部分的螺线并做水平对称来作为轨道基线。轨道宽度为滚子3的直径。

如图4所示，摇杆2内挖有宽度为滚子3直径的槽，当摇杆转动时，会带动槽内的滚子3沿着圆盘8上的螺线轨道9做预定的运动。为保证小位移时不发生干涉，摇杆2连接端挖有空槽11。摇杆上方连接有丝杆15与滚珠螺母14组成滚珠丝杠副，该装置主要有两个作用，第一将输入量角位移量θ线性转换为更为常用的位移量X，即θ＝λX，λ为转换速度比，最终使回复力方程达到标准的立方刚度形式F＝K·C·0.5·λ³·X³＝k·X³。第二通过选配螺纹导程，可以起到调节λ的作用，降低角位移θ取值限制的影响，给吸振器输入端提供更大的工作行程空间。

正弦机构中，因为摇杆长度R固定，所以弹簧支座7是固定不动的，加入变摇杆长度装置后，因为摇杆长度R为变化量，由于滑块4的相对位移Y＝R-R·cosθ为滚子3和弹簧支座7之间的相对位移变化量，为实现上述原理，还需要连接弹性元件6的弹簧支座7对应产生相对初始平衡位置为摇杆2长度R＝C·θ的位移量。

如图5所示，摇杆2与丝杆15之间固定有齿轮13，齿轮13与丝杠15及摇杆2同步转动，齿轮13与齿条12配合，齿条12下端连接着弹簧支座7，取齿轮13节圆半径为比例系数C，则当摇杆转动时θ，齿轮13会带动齿条12连接的弹簧支座7产生数量为R＝C·θ的位移量。考虑到齿轮13会有随丝杆15有轴向位移，齿条12厚度要大于齿轮13厚度来保证啮合。

如图6所示，根据以上设计思想，给出一具体立方刚度吸振器实例，支架1上固定有滑动导轨5、弹性元件6、滚珠螺母12和圆盘8，其中轨道圆盘8通过螺栓10连接在支架1上，弹性元件6一端连接在弹簧支座7上，另一端连接滑块4。弹簧支座7上部设有齿条12，与丝杆15上的齿轮13相配合，滚子3为一圆柱体，其中一端连接长方体滑动块4，与滑块4内的平行轨道相接触。而滚子3圆柱侧面穿过圆盘8分别与摇杆2内侧轨道和螺线轨道9内侧相接触。摇杆2上端连接丝杆15，与滚珠螺母14构成滚珠丝杆副，丝杆底部开有与摇杆2内导轨尺寸相同的通槽11供滚子3通过。

当主振动结构进行振动时，丝杠15会相对吸振器做直线运动，同时滚珠螺母14会将该直线运动转换为摇杆2相对固定支座7的旋转运动，摇杆2内的滚子3会在螺线轨道9的约束下满足摇杆长度R与转角θ的正比例运动规律要求，同时丝杆15上的齿轮13会带动弹簧支座7上的齿条，使其进行同摇杆2长度的位移。支架1、摇杆2、滚子3、滑块4、滑动导轨5和弹簧支座7共同构成了正弦机构，滚子3通过该机构将运动传递给滑块4，使滑块4在滑动导轨5的约束下，相对弹簧支座7做往复直线运动，其回复力由弹性元件6提供。由于以上装置实现了回复力立方刚度的要求。吸振器具备了靶向传递的潜能，可将主振动结构的振动能量单向地、不可逆地转递到吸振器中，并通过合适的阻尼方式进行耗散，从而保证主振动结构的安全。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细地说明，所属领域的普通技术人员应当理解:技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于硬化立方刚度吸振器的实现方法，其特征在于：以一个正弦机构为主体，得到了振子回复力F是角度位移量θ二次方的函数关系:F＝0.5K·R·θ²，其中K为弹性元件弹性系数，R为摇杆长度；在此基础上通过螺线轨道限制滚子的运动轨迹，使正弦机构中的摇杆长度R与角位移量θ成正比例关系，即R＝C·θ，其中C为比例系数；则振子的回复力方程变为F＝0.5K·C·θ³；通过齿轮齿条装置保证弹簧支座位移等于摇杆长度R，再通过一个接入输入端的滚珠丝杆装置，使角位移量θ转化为位移量X,使得θ＝λ·X，其中λ为速度转换比，即F＝K·C·0.5·λ³·X³＝k·X³,满足了NES振子的立方刚度的要求。

2.一种实现权利要求1所述方法的吸振器，其特征在于：包括固定支座上固定有滑动导轨、弹性元件、滚珠螺母和圆盘，其中轨道圆盘通过螺栓连接在固定支座上,圆盘上设置对称的螺线轨道；弹性元件一端与弹簧支座固定，弹性元件另一端连接滑块；滚子为一圆柱体，滚子下端连接长方体滑动块，所述长方体滑动块在滑块的滑槽内滑动，滑块沿滑动导轨往复直线运动；滚子上端设置在摇杆的滑槽内；滚子的圆柱体穿过圆盘上设置的螺线轨道；摇杆上端连接丝杆，与滚珠螺母构成滚珠丝杆副，丝杆底部开有与摇杆内导轨尺寸相同的通槽供滚子通过。

3.根据权利要求2所述的吸振器，其特征在于：螺线轨道的基线为螺线，摇杆长度R随角位移θ的增加而成比例增加，其中的比例系数C＝R/θ，取0≤θ≤45°该部分的螺线水平对称来作为轨道基线，轨道宽度为滚子的直径；摇杆与丝杆之间设有齿轮，所述齿轮与齿条啮合，齿条下端与弹簧支座固定，取齿轮节圆半径为比例系数C，则当摇杆转动时，齿轮会带动齿条连接的弹簧支座产生数量为R＝C·θ的位移量；齿条厚度大于齿轮厚度以保证啮合。