CN109505918A - 一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，属于隔振器领域。现有的线性隔振器无法同时实现较宽的隔振频带和较小的静位移。一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，支撑框架底板上表面上设置平衡位置调节结构，平衡位置调节结构上部设置正刚度机构，正刚度机构四周通过一组负刚度机构连接在支撑框架侧面板内壁上，且负刚度机构的两端都是通过旋转副分别与正刚度机构和支撑框架侧面板内壁连接。本发明平衡位置处的动态刚度为零，提高对超低频振动的隔振性能。尤其是针对基础激励，还可以实现全频段隔的效果。

Description

一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及一种隔振器，特别涉及一种准零刚度隔振器。

背景技术

工程中绝大多数振动都是有害的，例如，车辆座椅的振动会降低乘车舒适感，机床的振动会降低加工精度，光学卫星的振动会降低成像质量，这样的例子不胜枚举。因此隔振技术就显得尤为重要。最早采用的线性隔振器的隔振起始频率为系统固有频率的倍，对于确定的有效载荷，只有通过降低刚度才能降低固有频率，从而降低隔振起始频率，提高低频隔振性能，然而一旦刚度过低就会造成静位移过大。线性隔振器的这一矛盾是由于其静态刚度与动态刚度相等造成的。近年来发展起来的非线性隔振技术，具有较高的静态刚度和较低的动态刚度。高静态刚度可以使静位移较小，低动态刚度可以使隔振起始频率较低，具有良好的低频隔振效果而又不失较高的承载能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的线性隔振器无法同时实现较宽的隔振频带和较小的静位移的问题，而提出一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器。

一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其组成包括正刚度机构、平衡位置调节结构、支撑框架和一组负刚度机构；所述的支撑框架的底板上表面设置平衡位置调节结构，平衡位置调节结构上部设置正刚度机构，正刚度机构四周通过一组负刚度机构连接在支撑框架的侧面板内壁上，且负刚度机构的两端都是通过旋转副分别与正刚度机构和支撑框架侧面板的内壁连接。

优选地，所述的负刚度机构都包括一根斜弹簧和两组旋转副，每组旋转副包括旋转销和斜弹簧座，斜弹簧的两端分别通过旋转销与斜弹簧座铰接，其中一个斜弹簧座固定安装在支撑框架侧面板内壁上，另一个斜弹簧座固定安装在正刚度机构上。

优选地，所述的正刚度机构包括竖直弹簧和承载平台；竖直弹簧的上方同轴心固定设置承载平台，负刚度机构的一个斜弹簧座是固定在正刚度机构的承载平台的侧面上的。

优选地，所述的平衡位置调节机构包括基座、一组螺纹杆和一组调节螺母；基座固定在支撑框架底板上表面上，通过一组螺纹杆将基座与正刚度机构的底部连接；当承载平台上安装有效载荷时，螺纹杆与调节螺母配合，调节竖直弹簧的底部高度进而调节负刚度机构的斜弹簧为水平状态。

优选地，在安装有效载荷后，斜弹簧处于水平状态，所述的斜弹簧的刚度、竖直弹簧的刚度、斜弹簧原长、斜弹簧两端的水平距离这四个量之间满足以下关系，使得隔振器具有准零刚度：

4K_o(L₀-L₁)＝K_vL₁

其中：K_o表示斜弹簧的刚度，K_v表示竖直弹簧的刚度，L₀表示斜弹簧原长，L₁表示斜弹簧两端的水平距离。

优选地，所述的斜弹簧和竖直弹簧都采用横槽弹簧。

本发明的有益效果为：

1.本发明的横槽弹簧具有很多设计参数，可以按照需求精确设计出所需要的刚度。

2.本发明的非线性隔振器结构简单，易于加工实现，承载能力高，可靠性强。具有较高的静态刚度和较低的动态刚度。高静态刚度可以使静位移较小，低动态刚度可以使隔振起始频率较低，具有良好的低频隔振效果。

3.本发明的平衡位置处的动态刚度降到零，能够令隔振器同时具有较宽的隔振频带和较小的静位移的性能，可以提高对超低频振动的隔振性能。尤其是针对基础激励，还可以实现全频段隔振，达到非常完美的隔振效果。

附图说明

图1是本发明隔振器的三维模型；

图2是本发明隔振器的正视图；

图3是在承载平台上安装有效载荷后的三维模型；

图4是斜弹簧的三维模型；

图5是竖直弹簧的三维模型；

图6是本发明隔振器的动刚度—位移关系图及与等效线性隔振器的对比；

图7是在力激励下本发明隔振器的力传递率曲线及与等效线性隔振器的对比；

图8是在基础激励下本发明隔振器的绝对位移传递率曲线及与等效线性隔振器的对比。

图中标记为：

1、斜弹簧座；2、旋转销；3、承载平台；4、斜弹簧；5、支撑框架；6、竖直弹簧；7、调节螺母；8、螺纹杆；9、基座；10、有效载荷。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其组成包括正刚度机构、平衡位置调节结构支撑框架5和一组负刚度机构；所述的支撑框架5的底板上表面设置平衡位置调节结构，平衡位置调节结构上部设置正刚度机构，正刚度机构四周通过一组负刚度机构连接在支撑框架5的侧面板内壁上，且负刚度机构的两端都是通过旋转副分别与正刚度机构和支撑框架5的侧面板内壁连接。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，所述的负刚度机构都包括一根斜弹簧4和两组旋转副，每组旋转副包括旋转销2和斜弹簧座1，斜弹簧4的两端分别通过旋转销2与斜弹簧座1铰接，其中一个斜弹簧座1固定安装在支撑框架5侧面板内壁上，另一个斜弹簧座1固定安装在正刚度机构上。

具体实施方式三：

与具体实施方式二不同的是，本实施方式的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，所述的正刚度机构包括竖直弹簧6和承载平台3；竖直弹簧6的上方同轴心固定设置承载平台3，负刚度机构的一个斜弹簧座1是固定在正刚度机构的承载平台3的侧面上的。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，所述的平衡位置调节机构包括基座9、一组螺纹杆8和一组调节螺母7；基座9固定在支撑框架5底板上表面上，通过一组螺纹杆8将基座9与正刚度机构的底部连接；当承载平台3上安装有效载荷10时，螺纹杆8与调节螺母7配合，调节竖直弹簧6的底部高度进而调节负刚度机构的斜弹簧4为水平状态。

具体实施方式五：

与具体实施方式一至四之一不同的是，本实施方式的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，在承载平台3上安装了有效载荷10之后，通过平衡位置调节机构调节，所述的斜弹簧4处于水平状态；所述的斜弹簧4的刚度、竖直弹簧6的刚度、斜弹簧4原长、斜弹簧4两端的水平距离这四个量之间满足以下关系，使得隔振器具有准零刚度：

4K_o(L₀-L₁)＝K_vL₁

其中：K_o表示斜弹簧4的刚度，K_v表示竖直弹簧6的刚度，L₀表示斜弹簧4原长，L₁表示斜弹簧4两端的水平距离。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，所述的斜弹簧4和竖直弹簧6都采用横槽弹簧。

工作原理：

设竖直弹簧的刚度为K_v，斜弹簧的刚度为K_o，斜弹簧原长为L₀，斜弹簧两端的水平距离为L₁，有效载荷的质量为m。在承载平台上安装了有效载荷之后，通过平衡位置调节机构把承载平台的高度调节到与侧板上的斜弹簧座的高度相等，此时斜弹簧处于水平状态，且压缩量最大，如图2所示。回复力等于竖直弹簧的回复力加上各斜弹簧的力在竖直方向上的分量。当承载平台相对于静平衡位置的竖向位移为X时，经过计算可得本隔振器的回复力为

其中δ是竖直弹簧在静平衡位置的压缩量。

引入f_res＝F_res/(K_vL₀)，x＝X/L₀，μ＝L₁/L₀，λ＝K_o/K_v，回复力—位移关系可以写为如下的无量纲形式：

把无量纲回复力的表达式(2)对无量纲位移x求导，可得本发明隔振器的无量纲动态刚度为：

要实现准零刚度，即令k(0)＝0，可得准零刚度条件为

把(4)式转换到物理参数，可得物理参数下的准零刚度条件为4K_o(L₀-L₁)＝K_vL₁(5)

把准零刚度条件代入(3)式可得，准零刚度隔振器的无量纲动态刚度为

无量纲刚度与无量纲位移之间的关系如图5所示。从图中可以看出，在很大的位移范围内，本发明隔振器的动态刚度都要远小于等效线性隔振器，而且在平衡位置的动刚度为零。

对无量纲回复力—位移关系(2)式作泰勒级数展开，并取前三阶，并把准零刚度条件导入其中，可得近似的无量纲力—位移关系为

其中，β＝1/[2(1-μ)μ²]。

本发明隔振器可以对两类隔振问题都起到很好的隔振效果。第一类问题：振动源是有效载荷本身，隔振的目的是减小传递到基础上的力。第二类问题：振动源是基础，隔振的目的是减小有效载荷的振动。

先看第一类隔振问题，设有效载荷受到的力激励为F(t)＝F₀cos(ωt)，则动力学方程为

其中c是考虑能量耗散而引入的阻尼系数，g是重力加速度。

考虑到静平衡位置斜弹簧处于水平状态，有效载荷的重力完全由竖直弹簧承担，即K_vδ＝mg，则方程(8)两端的常数项可以消掉。引入f₀＝F₀/(K_vL₀)，τ＝ω₀t，Ω＝ω/ω₀，并采用近似形式的回复力—位移关系，那么动力学方程(8)可以写成如下的无量纲形式：

x″+2ζx′+βx³＝f₀cos(Ωτ) (9)

其中的″和′表示对无量纲时间τ求导。

设稳态解为代入方程(9)并忽略三次谐波，令相应的谐波系数相等，可得两个关于幅值和相位的方程，从中消去相位可得

在每个激励频率下解出响应幅值A后，再经过一系列推导可以得到力传递率为

图6是本发明隔振器的力传递率曲线及与等效线性隔振器的力传递率曲线的对比图。从图中可以看出，力激励下本发明隔振器具有很低的隔振起始频率和很低的传递率峰值，隔振效果非常好。

下面来看第二类隔振问题，设基础的运动方程为B(t)＝B₀cos(ωt)，设有效载荷与基础之间的相对位移为U(t)＝X(t)-B(t)，则动力学方程为

考虑到K_vδ＝mg，则式(12)两端的常数项可以消掉。引入b₀＝B₀/L₀和u＝U/L₀，并采用近似形式的无量纲力—位移关系，则动力学方程可以写成如下的无量纲形式

u″+2ζu′+βu³＝b₀Ω²cos(Ωτ) (13)

设稳态解为代入方程(13)并忽略三次谐波，令相应的谐波系数相等，可得两个关于幅值和相位的方程，从中消去相位可得

在每个激励频率下解出响应幅值H后，再经过一系列推导可得基础激励下的绝对位移传递率为

图7是本发明隔振器的绝对位移传递率曲线及与等效线性隔振器的绝对位移传递率曲线的对比图。从图中可以看出，基础激励下本发明隔振器可以实现全频段隔振，这是非常完美的隔振性能。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其特征在于：其组成包括正刚度机构、平衡位置调节结构、支撑框架和一组负刚度机构；所述的支撑框架的底板上表面设置平衡位置调节结构，平衡位置调节结构上部设置正刚度机构，正刚度机构四周通过一组负刚度机构连接在支撑框架的侧面板内壁上，且负刚度机构的两端都是通过旋转副分别与正刚度机构和支撑框架侧面板的内壁连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其特征在于：所述的负刚度机构都包括一根斜弹簧和两组旋转副，每组旋转副包括旋转销和斜弹簧座，斜弹簧的两端分别通过旋转销与斜弹簧座铰接，其中一个斜弹簧座固定安装在支撑框架侧面板内壁上，另一个斜弹簧座固定安装在正刚度机构上。

3.根据权利要求2所述的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其特征在于：所述的正刚度机构包括竖直弹簧和承载平台；竖直弹簧的上方同轴心固定设置承载平台，负刚度机构的一个斜弹簧座是固定在正刚度机构的承载平台的侧面上的。

4.根据权利要求3所述的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其特征在于：所述的平衡位置调节机构包括基座、一组螺纹杆和一组调节螺母；基座固定在支撑框架底板上表面上，通过一组螺纹杆将基座与正刚度机构的底部连接；当承载平台上安装有效载荷时，螺纹杆与调节螺母配合，调节竖直弹簧的底部高度进而调节负刚度机构的斜弹簧为水平状态。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其特征在于：在安装有效载荷后，斜弹簧处于水平状态，所述的斜弹簧的刚度、竖直弹簧的刚度、斜弹簧原长、斜弹簧两端的水平距离这四个量之间满足以下关系，使得隔振器具有准零刚度：

4K_o(L₀-L₁)＝K_vL₁

其中：K_o表示斜弹簧的刚度，K_v表示竖直弹簧的刚度，L₀表示斜弹簧原长，L₁表示斜弹簧两端的水平距离。

6.根据权利要求5所述的一种基于横槽弹簧的准零刚度隔振器，其特征在于：所述的斜弹簧和竖直弹簧都采用横槽弹簧。