CN109356961B - 一种放大负刚度系数的机构及由其构成的超低频减振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种放大负刚度系数的机构及由其构成的超低频减振器，属于减振领域。该机构由至少一个负刚度单元和至少一个刚度系数绝对值更大的正刚度单元串联构成，二者的另外两端分别用于与被减振体和基座连接。至少一个这种负刚度放大机构，与至少一个刚度系数合适、起主支撑作用的正刚度单元并联，置于被减振体和基座之间，构成一个超低频减振器。上述负刚度放大机构可使负刚度单元的振动位移按相应的倍数放大，从而使负刚度单元产生、经负刚度放大机构传递的作用力按同等倍数放大，负刚度放大机构与其中的负刚度单元相比，负刚度系数也按同等倍数放大。本发明可以较小的尺寸、重量和成本实现较高的负刚度系数和超低频减振。
Description
技术领域
本发明属于减振技术领域，更具体地，涉及一种放大负刚度系数以及串并联正负刚度进而实现近零刚度高性能减振的技术。
背景技术
振动广泛存在于制造装备、测量设备、建筑结构、交通工具、家用电器等众多领域。在上述绝大多数场合中，振动都会产生负面影响，如降低作业精度、威胁结构安全、缩短使用寿命、恶化工作环境等。
具有正刚度特性的弹性元件(以下简称正刚度机构)可以有效缓冲作用力的传递，也即隔离结构之间的振动传递。通常，正刚度机构的刚度系数越小，减振固有频率越低，减振效果越好。但多数情况下，正刚度机构还需支撑设备的重量，结构强度和系统的稳定性必须得到保证；另外，减振系统的重量和空间往往也会受到限制。所以，决定正刚度机构刚度系数的一些关键特征尺寸不能无限制地减小或增大，正刚度机构的刚度通常难以降到足够低的水平。
将负刚度机构与正刚度机构并联，可以在不降低承载能力的前提下，显著降低减振系统的综合刚度和相应的减振固有频率，从而实现比传统正刚度机构相比更加优异的减振性能。
负刚度机构有很多种，比如倒立摆、预压缩弹簧等机械负刚度机构，以及磁负刚度机构等。通常情况下，为了获得较大的负刚度系数以尽可能抵消正刚度机构的刚度系数，负刚度机构的尺寸和重量往往不得不设计得比较大。如何以较小且紧凑的尺寸、较轻的重量实现较大的负刚度系数，这一直是减振领域追求的目标之一。同样地，上述缺陷也制约了超低频减振技术的发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种放大负刚度系数的机构及包括该机构的超低频减振器，其目的在于，通过将负刚度单元与刚度系数绝对值比其更大的正刚度单元串联，从而将负刚度系数放大，由此达到以较小且紧凑的尺寸、较轻的重量实现较大的负刚度系数的目的。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种放大负刚度系数的机构，将刚度系数为k2的负刚度单元与刚度系数为k3的第一正刚度单元串联，k3＝-αk2，α＞1。
进一步地，还包括直线导轨和基座，直线导轨沿减振方向布置且相对于基座固定；
负刚度单元包括一个中间磁体、两个外侧磁体、中间磁体连接件和外侧磁体连接件；
第一正刚度单元沿减振方向布置，其一端通过中间磁体连接件固连中间磁体，另一端固连基座；
两个外侧磁体对称分布于中间磁体向两侧，其连线垂直于减振方向，并通过外侧磁体连接件与被减振体固连，中间磁体和两个外侧磁体充磁方向均垂直于减振方向；两个外侧磁体充磁方向相同，且与中间磁体充磁方向相反；
直线导轨分别与被减振体和中间磁体配合，以使外侧磁体和中间磁体仅做竖直方向上的单自由度运动。
进一步地，第一正刚度单元固连被减振体，两个外侧磁体通过外侧磁体连接件固连基座。
进一步地，两个外侧磁体沿减振方向对称分布于中间磁体两侧，中间磁体和两个外侧磁体充磁方向均与减振方向相同。
进一步地，还包括直线导轨和基座，直线导轨沿减振方向布置且相对于基座固定；
负刚度单元包括一个中间连接件、两个相同的正刚度弹簧以及两个外侧连接件；
第一正刚度单元沿减振方向布置，其一端通过中间连接件固连两个正刚度弹簧的一端，另一端固连基座；
两个正刚度弹簧共线、垂直于减振方向且对称分布于中间连接件两侧，并各通过一个外侧连接件与被减振体固连；
直线导轨与被减振体配合，以限制负刚度单元仅做竖直方向上的单自由度运动。
进一步地，第一正刚度单元固连被减振体，两个正刚度弹簧通过对应的外侧连接件固连基座。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种超低频减振器，将刚度系数为k1的第二正刚度单元以及上述任意一种放大负刚度系数的机构并联；其中，α的取值使下式趋近于零，以实现近零刚度的超低频减振：
其中，k为超低频减振器的整体刚度。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
1、本发明可以利用任意形式的正刚度单元简单地与任意形式的负刚度单元串联，可使负刚度单元的振动位移按相应的倍数放大，从而使负刚度单元产生、经负刚度放大机构传递的作用力按同等倍数放大，负刚度放大机构与其中的负刚度单元相比，负刚度系数也按同等倍数放大，从而获得更大的负刚度系数，结构简单，实现方便；
2、本发明可以通过匹配正刚度单元和负刚度单元的刚度系数，实现期望的负刚度系数放大倍数，获得事半功倍的效果；
3、本发明可以通过匹配正刚度单元和负刚度单元的刚度系数，再与另一任意形式的正刚度单元并联，使整体系统刚度趋于0，从而实现近零刚度的超低频减振；
4、本发明可以在有限的设计空间内，以较小的尺寸、重量和成本实现较高的负刚度系数和近零刚度的超低频减振。
附图说明
图1是现有技术中正负刚度机构直接并联的减振器原理图；
图2是本发明的正负刚度串并联复合式减振器的原理图；
图3是本发明第一实施例的整体结构示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明第二实施例的整体结构示意图；
图6是本发明第三实施例的整体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的放大负刚度系数的机构及方法，其放大原理如下：负刚度单元和与之串联的放大机构在振动过程中受力基本相等，放大机构的变形和被减振体的振动位移方向一致，二者之和是负刚度单元的变形量，它大于被减振体的振动位移。因此，负刚度单元产生的远离平衡位置的作用力比直接将其与被减振体和基础固定连接时大。经正刚度单元传递至被减振体上的该作用力，除以被减振体的振动位移，所得即是负刚度单元和与之串联的放大机构的综合负刚度系数，其绝对值大于负刚度单元自身的负刚度系数绝对值，也即实现了负刚度系数的放大。
以下结合图1和理论推导来说明本发明所述方法放大负刚度系数的主要工作原理。
图1所示为刚度系数为k1的正刚度单元与刚度系数为k2的负刚度单元直接并联，当满足条件k1＞-k2＞0时，系统的综合刚度为k′＝k1+k2＞0。
图2所示为本发明提出的减振系统力学模型示意图。其中，刚度系数为k2的负刚度单元与刚度系数为k3的放大机构(即本发明的第一正刚度单元)串联，再与刚度系数为k1的第二正刚度单元并联。在此须保证k3＞-k2＞0。假定被减振平台的质量为m，振动位移为z1，负刚度单元与放大机构连接点的振动位移为z2，则存在关系
-k2z2＝-k3(z1-z2) (1)
由此可以得到
而被减振体的固有振动方程为
其中，
是z1的二阶导数；
将式(2)代入(3)，并变换至拉氏域，得到
其中，Z2(s)是时域函数z2的频域形式；
记k3＝-αk2，其中α＞1，得到负刚度k2与正刚度k3串联后的等效负刚度为
也即负刚度系数的放大倍数为
系统总刚度为：
通过选择合理的参数α，可以实现期望的负刚度系数放大倍数，使得串联机构的总负刚度k2′数值上与第一正刚度单元的正刚度系数k1近似相等，从而实现系统总刚度趋近于零，达到近零刚度超低频减振的效果。
下面结合几个具体实施例对本发明的结构设计进行进一步阐述，其中，正刚度单元的结构并非本发明考虑的重点，因此以最简单的弹簧结构为例进行说明，正刚度弹簧4即第一正刚度单元，正刚度弹簧2即第二正刚度单元。
请参阅图3和图4，是本发明提供的第一实施例，采用螺旋弹簧和斥力型磁负刚度单元串联的负刚度放大机构及由其构成的减振系统。
所述减振系统包括基座1、正刚度弹簧2、被减振体3、放大用正刚度弹簧4、负刚度单元和导轨6。所述正刚度弹簧2一端连接基座1，一端连接被减振体3。放大用正刚度弹簧4一端连接基座，一端连接负刚度单元,。负刚度单元连接到被减振体3。
所述负刚度单元包括中间磁体连接件51、外侧磁体52、中间磁体53和外侧磁体连接件54。中间磁体53通过中间磁体连接件51与放大用正刚度弹簧4上端固定，外侧磁体52有两块，对称分布于中间磁体53两侧，并通过外侧磁体连接件54与被减振体3固连。三块磁体充磁方向均为水平方向，两块外侧磁体充磁方向相同，且与中间磁体充磁方向相反。
所述导轨6起导向作用，其与基座1垂直且固连。中间磁体53和被减振体3通过轴承与导轨6连接，使得中间磁体53和被减振体3只能在Z向运动，提高系统稳定性。
请参阅图5，是本发明提供的第二实施例，采用螺旋弹簧和预压缩弹簧负刚度单元串联的负刚度放大机构及由其构成的减振系统。
所述减振系统包括基座1、正刚度弹簧2、被减振体3、放大用正刚度弹簧4和负刚度单元。所述正刚度弹簧2一端连接基座1，一端连接被减振体3。放大用正刚度弹簧4一端连接基座，一端连接负刚度单元。负刚度单元连接到被减振体3。
所述负刚度单元包括中间连接件55、压缩弹簧56和外侧连接件57。所述压缩弹簧56有两个，对称分布，两个压缩弹簧56和放大用正刚度弹簧4通过中间连接件55固定在一起，而两个压缩弹簧56的另外一端通过两个外侧连接件57固连到被减振体3。
请参阅图6，是本发明提供的第三实施例，采用螺旋弹簧和吸力型磁负刚度单元串联的负刚度放大机构及由其构成的减振系统，其与第一实施例的区别在于，采用的是垂向布置的斥力型磁负刚度单元，其余均相同。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种放大负刚度系数的机构，其特征在于，将刚度系数为k2的负刚度单元与刚度系数为k3的第一正刚度单元串联，k3＝-αk2，α＞1；还包括直线导轨(6)和基座(1)，直线导轨(6)沿减振方向布置且相对于基座(1)固定；
负刚度单元包括一个中间磁体(53)、两个外侧磁体(52)、中间磁体连接件(51)和外侧磁体连接件(54)；
第一正刚度单元沿减振方向布置，其一端通过中间磁体连接件(51)固连中间磁体(53)，另一端固连基座(1)；
两个外侧磁体(52)对称分布于中间磁体(53)两侧，其连线垂直于减振方向，并通过外侧磁体连接件(54)与被减振体(3)固连，中间磁体(53)和两个外侧磁体(52)充磁方向均垂直于减振方向；两个外侧磁体(52)充磁方向相同，且与中间磁体(53)充磁方向相反；
直线导轨(6)分别与被减振体(3)和中间磁体(53)配合，以使外侧磁体(52)和中间磁体(53)仅做竖直方向上的单自由度运动。
2.如权利要求1所述的一种放大负刚度系数的机构，其特征在于，第一正刚度单元固连被减振体(3)，两个外侧磁体(52)通过外侧磁体连接件(54)固连基座(1)。
3.如权利要求1或2所述的一种放大负刚度系数的机构，其特征在于，两个外侧磁体(52)沿减振方向对称分布于中间磁体(53)两侧，中间磁体(53)和两个外侧磁体(52)充磁方向均与减振方向相同。
4.一种放大负刚度系数的机构，其特征在于，将刚度系数为k2的负刚度单元与刚度系数为k3的第一正刚度单元串联，k3＝-αk2，α＞1；还包括直线导轨(6)和基座(1)，直线导轨(6)沿减振方向布置且相对于基座(1)固定；
负刚度单元包括一个中间连接件(55)、两个相同的正刚度弹簧(56)以及两个外侧连接件(54)；
第一正刚度单元沿减振方向布置，其一端通过中间连接件(51)固连两个正刚度弹簧(56)的一端，另一端固连基座(1)；
两个正刚度弹簧(56)共线、垂直于减振方向且对称分布于中间连接件(55)两侧，并各通过一个外侧连接件(54)与被减振体(3)固连；
直线导轨(6)与被减振体(3)配合，以限制负刚度单元仅做竖直方向上的单自由度运动。
5.如权利要求4所述的一种放大负刚度系数的机构，其特征在于，第一正刚度单元固连被减振体(3)，两个正刚度弹簧(56)通过对应的外侧连接件(54)固连基座(1)。
6.一种超低频减振器，其特征在于，将刚度系数为k1的第二正刚度单元以及如权利要求1～5任意一项所述的放大负刚度系数的机构并联；其中，α的取值使下式趋近于零，以实现近零刚度的超低频减振：
其中，k为超低频减振器的整体刚度。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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