CN110332270B - 一种折叠式准零刚度隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折叠式准零刚度隔振装置，包括相互平行的第一平台和第二平台、第一折叠组件、第二折叠组件、弹簧；第一折叠组件和第二折叠组件均包括与第一平台铰接的上折叠板、与第二平台铰接的下折叠板、扭簧轴、套在扭簧轴上的扭簧；上折叠板和下折叠板通过扭簧轴相互铰接，扭簧的一端与上折叠板固定连接，扭簧的另一端与下折叠板固定连接，弹簧的两端分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，弹簧的轴线与扭簧的轴线相互垂直。本发明扭簧和弹簧分别提供正刚度和负刚度。本发明在较大的位移激励下具备准零刚度隔振特性，同时在超出一定激励位移时具备自我保护能力，可避免系统失稳。本发明属于机械隔振装置的技术领域。

Description

一种折叠式准零刚度隔振装置

技术领域

本发明涉及机械隔振装置的技术领域，尤其涉及一种折叠式准零刚度隔振装置。

背景技术

振动会影响机械加工的精度，严重的可以危害人的身体健康。因此，工程师们一直都在研发各类隔振装置，力图减小振动的危害。而准零刚度隔振装置由于具有高的静态刚度和低的动态刚度，在具备优良的低频隔振性能的同时又具备较大的隔振质量，具有良好的工程应用前景。但是，准零刚度系统的固有结构特性，导致其隔振区间较小，同时在较大的激励下容易造成失稳。如现有的水平弹簧预压缩来获得负刚度特性的准零刚度隔振装置，该装置只有在很小的位移范围内具备准零刚度特性，且在较大的激励位移下会造成严重的失稳现象。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种折叠式准零刚度隔振装置，该折叠式准零刚度隔振装置在较大的位移激励下具备准零刚度隔振特性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种折叠式准零刚度隔振装置，包括相互平行的第一平台和第二平台、第一折叠组件、第二折叠组件、弹簧；第一折叠组件和第二折叠组件均包括与第一平台铰接的上折叠板、与第二平台铰接的下折叠板、扭簧轴、套在扭簧轴上的扭簧；上折叠板和下折叠板通过扭簧轴相互铰接，扭簧的一端与上折叠板固定连接，扭簧的另一端与下折叠板固定连接，弹簧的两端分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，弹簧的轴线与扭簧的轴线相互垂直。第一折叠组件和第二折叠组件相互靠近挤压弹簧的时候提供了负刚度特性，上折叠板和下折叠板折叠的时候扭簧提供正刚度特性，正负刚度的并联使得系统的总刚度为零，达到一个隔振的效果。

进一步的是：上折叠板和下折叠板上均设有第一缺口，上折叠板的第一缺口位于下折叠板的第一缺口内，扭簧位于上折叠板的第一缺口内，上折叠板和下折叠板上均设有第一轴孔，上折叠板和下折叠板上的第一轴孔均有两个且两个第一轴孔分居第一缺口的两端，扭簧轴穿过上折叠板和下折叠板的所有第一轴孔并与弹簧固定连接。上折叠板和下折叠板绕着扭簧轴转动，上折叠板和下折叠板转动过程中会扭动扭簧，使扭簧产生阻碍上折叠板和下折叠板折叠的力。

进一步的是：第一平台和第二平台均为正方块，第一折叠组件和第二折叠组件均位于第一平台和第二平台之间，第一折叠组件的上折叠板和第二折叠组件的上折叠板分别转动式安装在第一平台的其中两个相对的侧面上，第一折叠组件的下折叠板和第二折叠组件的下折叠板分别转动式安装在第二平台的其中两个相对的侧面上，上折叠板和下折叠板均设有第二缺口，第二缺口位于上折叠板和下折叠板的中心。上折叠板和下折叠板在折叠过程中，上折叠板绕着第一平台转动，下折叠板绕着第二平台转动，同时上折叠板和下折叠板绕着扭簧轴相互转动。

进一步的是：第一平台的侧面的两端均设有第一凸块，侧面两端的第一凸块之间设有第一直轴，上折叠板转动式安装在第一直轴上。使得上折叠板的转动更加灵活。

进一步的是：第二平台的侧面的两端均设有第二凸块，侧面两端的第二凸块之间设有第二直轴，下折叠板转动式安装在第二直轴上。使得下折叠板的转动更加灵活。

进一步的是：第一折叠组件和第二折叠组件均呈V形，第一折叠组件和第二折叠组件均向第一平台和第二平台之间的空间内折叠，上折叠板和下折叠板之间的夹角为90°。上折叠板和下折叠板绕着扭簧轴相互转动过程中，第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴会相互靠近并挤压弹簧，弹簧会产生弹力，提供一个负刚度。

进一步的是：弹簧有两个，两个弹簧分居在扭簧轴的两端，每个弹簧的两端均分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，所有扭簧轴和所有弹簧首尾相连形成一个矩形，所有扭簧轴和所有弹簧形成的平面与第一平台、第二平台均平行。两个弹簧使得第一折叠组件和第二折叠组件的两端受力更加均匀。

进一步的是：弹簧为导柱式弹簧。确保弹簧在伸缩过程中始终保持在轴线方向上伸缩。

进一步的是：折叠式准零刚度隔振装置还包括阻尼器；阻尼器的两端分别与第一平台、第二平台固定连接。阻尼器使得隔振效果更好。

进一步的是：阻尼器为橡胶阻尼器。橡胶阻尼器工作性能好，具有良好的耐疲劳性和变形恢复能力。

总的说来，本发明具有如下优点：

折叠式准零刚度隔振装置，准零刚度隔振特性的实现是通过正刚度机构与负刚度机构的并联实现。其中，弹簧提供了负刚度特性，第一折叠组件和第二折叠组件提供了正刚度特性，正负刚度的并联使得系统的总刚度为零，且在较大的位移激励范围内仍然具备低刚度特性，第一折叠组件和第二折叠组件的位移放大作用，使得本发明可以在较小的位移下进入负刚度特性，进而扩大了低刚度隔振区间范围，即较小的位移下也能起到隔振效果。同时，上折叠板和下折叠板之间的折叠角达到一定的角度时，由于上折叠板与下折叠板的相互接触，使得折叠角度保持在一个固定值，即具备自锁能力，从而折叠式准零刚度隔振装置变成了刚性结构，避免了结构的失稳，保护被隔振装置。本发明结构简单紧凑，不仅在大位移激励下具有隔振性能，且具有自锁能力避免结构失稳。

附图说明

图1是折叠式准零刚度隔振装置的主视图。

图2是第一平台、第二平台、第一折叠组件、第二折叠组件的结构示意图。

图3是第一折叠组件或第二折叠组件的结构示意图。

图4是本折叠式准零刚度隔振装置的力--位移曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为第一平台，2为第二平台，3为第一折叠组件，4为第二折叠组件，5为弹簧，6为上折叠板，7为下折叠板，8为扭簧轴，9为扭簧，10为第一缺口，11为第一轴孔，12为第一凸块，13为第一直轴，14为第二凸块，15为第二直轴，16为阻尼器，17为第二缺口，18为通孔。

结合图1、图2、图3所示，一种折叠式准零刚度隔振装置，包括相互平行的第一平台和第二平台、第一折叠组件、第二折叠组件、弹簧；第一平台位于第二平台上方，第二平台相当于一个底座，第一平台向第二平台靠近的时候，第一折叠组件、第二折叠组件受力折叠。第一折叠组件和第二折叠组件均包括与第一平台铰接的上折叠板、与第二平台铰接的下折叠板、扭簧轴、套在扭簧轴上的扭簧；上折叠板的一端(上端)与第一平台铰接，下折叠板的一端(下端)与第二平台铰接，上折叠板的下端和下折叠板上端通过扭簧轴相互铰接，上折叠板和下折叠板都绕着扭簧轴转动，扭簧的一端与上折叠板固定连接，扭簧的另一端与下折叠板固定连接，上折叠板与下折叠板绕着扭簧轴相互转动的时候会扭动扭簧，扭簧的两端会产生大小相同方向相反的力阻碍上折叠板与下折叠板转动，此时扭簧提供正刚度特性。弹簧的两端分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，弹簧的轴线与扭簧的轴线相互垂直，第一平台向第二平台靠近的时候，上折叠板的上端绕着第一平台转动，下折叠板的下端绕着第二平台转动，同时上折叠板和下折叠板绕着扭簧轴转动并折叠，第一折叠组件和第二折叠组件的折叠方向是相反的，即第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴会相互靠近，相互靠近的扭簧轴或压缩弹簧，弹簧会产生阻碍扭簧轴相互靠近的力，此时弹簧提供了负刚度特性。扭簧和弹簧共同阻碍第一折叠组件和第二折叠组件发生折叠，扭簧和弹簧使得总刚度为零，共同达到隔振的效果。

上折叠板(的下端)和下折叠板(上端)上均设有第一缺口，上折叠板的第一缺口位于下折叠板的第一缺口内，扭簧位于上折叠板的第一缺口内，第一缺口使得上折叠板和下折叠板转动的时候互不干扰，上折叠板和下折叠板上均设有第一轴孔，上折叠板和下折叠板上的第一轴孔均有两个且两个第一轴孔分居第一缺口的两端，上折叠板和下折叠板的第一缺口的两端都有第一轴孔，扭簧轴穿过上折叠板和下折叠板的所有第一轴孔并与弹簧固定连接，扭簧轴的两端均分别依次穿过上折叠板和下折叠板的第一轴孔，扭簧套在位于上折叠板的第一缺口内的扭簧轴上。

第一平台和第二平台均为正方块，第一折叠组件和第二折叠组件均位于第一平台和第二平台之间。第一平台向第二平台靠近的时候，第一折叠组件和第二折叠组件在第一平台和第二平台之间的空间内折叠。第一折叠组件的上折叠板和第二折叠组件的上折叠板分别转动式安装在第一平台的其中两个相对的侧面上，第一折叠组件的下折叠板和第二折叠组件的下折叠板分别转动式安装在第二平台的其中两个相对的侧面上，第一折叠组件和第二折叠组件的折叠方向相反，第一折叠组件和第二折叠组件折叠的时候可以相互靠近或者相互远离，优选地，本实例中，第一折叠组件和第二折叠组件均向第一平台和第二平台之间的空间的中心方向折叠，即第一折叠组件和第二折叠组件相互靠近。第一折叠组件和第二折叠组件均呈V形，即上折叠板和下折叠板呈V形，V形的开口朝外且开口的大小为90°，即上折叠板和下折叠板之间的初始夹角为90°，上折叠板和下折叠板之间的夹角会随着第一平台与第二平台之间的距离的改变而改变，即随着第一平台的受力移动而发生改变。上折叠板和下折叠板之间的初始夹角与扭簧的结构有关，可根据具体隔振环境做调节。第一折叠组件和第二折叠组件均向第一平台和第二平台之间的空间内折叠，即第一折叠组件和第二折叠组件的扭簧轴相互靠近并挤压弹簧。上折叠板和下折叠板均设有第二缺口，第二缺口位于上折叠板和下折叠板的中心，第二缺口可以减轻第一折叠组件、第二折叠组件的重量，使第一折叠组件、第二折叠组件更容易受力折叠。

第一平台的侧面的两端均设有第一凸块，侧面两端的第一凸块之间设有第一直轴，上折叠板转动式安装在第一直轴上。第一凸块与第一平台一体成型，第一平台的侧面的两端都有第一凸块，第一凸块设有通孔，第一直轴的两端均穿过通孔，上折叠板的上端位于两个第一凸块之间并绕着第一直轴转动，上折叠板绕着第一直轴转动的时候第一平台不会干扰上折叠板转动，第一直轴的轴线与扭簧轴的轴线方向相同。第一折叠组件的上折叠板和第二折叠组件的上折叠板分别铰接在第一平台相对的两个侧面上。

第二平台的侧面的两端均设有第二凸块，侧面两端的第二凸块之间设有第二直轴，下折叠板转动式安装在第二直轴上。第二凸块与第二平台一体成型，第二平台的侧面的两端都有第二凸块，第二凸块设有通孔，第二直轴的两端均穿过通孔，下折叠板的下端位于两个第二凸块之间并绕着第二直轴转动，下折叠板绕着第二直轴转动的时候第二平台不会干扰下折叠板转动，第二直轴的轴线与扭簧轴的轴线方向相同。第一折叠组件的下折叠板和第二折叠组件的下折叠板分别铰接在第二平台相对的两个侧面上。

弹簧有两个，两个弹簧分居在扭簧轴的两端，即两个弹簧分别位于上折叠板或者下折叠板的两侧。每个弹簧的两端均分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，所有扭簧轴和所有弹簧首尾相连形成一个矩形，第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴平行，两个弹簧相互平行，两个扭簧轴和两个弹簧连接成一个矩形。所有扭簧轴和所有弹簧形成的平面与第一平台、第二平台均平行，第一平台、第二平台都是水平的，两个扭簧轴和两个弹簧连接形成的平面也是水平的。第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴相互靠近的时候，两个弹簧同时被压缩。簧为导柱式弹簧。确保弹簧在伸缩过程中始终保持在轴线方向上伸缩，导柱式弹簧的两端设有连接头，导柱式弹簧通过连接头与扭簧轴固定连接。

折叠式准零刚度隔振装置还包括阻尼器；阻尼器的两端分别与第一平台、第二平台固定连接。阻尼器为橡胶阻尼器。阻尼器的其中一端(下端)通过螺栓固定在第二平台的中心，阻尼器的另一端(上端)通过螺栓固定在第一平台的中心，第一平台向第二平台移动的时候，阻尼器会被压缩，阻尼器会减缓机械振动及消耗动能，增强减震隔振的效果。

结合图1、图4所示，从图中可以看出，在一定的范围内，当第一平台向第二平台移动到一定的位移时，负刚度开始出现，且由于第一折叠组件和第二折叠组件以及扭簧的作用使得负刚度特性呈线性相似，最终实现准零刚度隔振，同时在准零刚度区域附近保持较低的刚度。与传统的准零刚度装置相比，本折叠式准零刚度隔振装置在较大的位移范围内具有波动较小的正刚度，因此具有良好的低频隔振效果。

本折叠式准零刚度隔振装置的工作原理：第二平台固定安装，当第一平台收到从第一平台指向第二平台方向上的受力的时候，第一折叠组件和第二折叠组件会受力折叠，即上折叠板和下折叠板会折叠，上折叠板相互靠近并趋于重合，第一折叠组件和第二折叠组件在折叠过程中，由于第一折叠组件和第二折叠组件的扭簧轴会相互靠近并挤压弹簧，弹簧会受力压缩并产生弹力阻碍第一折叠组件和第二折叠组件相互靠近，同时由于上折叠板和下折叠板相互靠近的时候会转动扭簧，扭簧会产生扭力阻碍上折叠板和下折叠板转动折叠，扭簧和弹簧共同起到减震隔振的效果。当上折叠板与下折叠板的相互接触时，折叠的角度保持在一个固定值，此时具备自锁能力，即上折叠板与下折叠板不能再继续转动，从而隔振装置变成了刚性结构，避免了结构的失稳，保护被隔振装置。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：包括相互平行的第一平台和第二平台、第一折叠组件、第二折叠组件、弹簧；第一折叠组件和第二折叠组件均包括与第一平台铰接的上折叠板、与第二平台铰接的下折叠板、扭簧轴、套在扭簧轴上的扭簧；上折叠板和下折叠板通过扭簧轴相互铰接，扭簧的一端与上折叠板固定连接，扭簧的另一端与下折叠板固定连接，弹簧的两端分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，弹簧的轴线与扭簧的轴线相互垂直，第一折叠组件和第二折叠组件均呈V形，第一折叠组件和第二折叠组件均向第一平台和第二平台之间的空间内折叠，上折叠板和下折叠板之间的夹角为90°；折叠式准零刚度隔振装置还包括阻尼器，阻尼器的两端分别与第一平台、第二平台固定连接，阻尼器为橡胶阻尼器。

2.按照权利要求1所述的一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：上折叠板和下折叠板上均设有第一缺口，上折叠板的第一缺口位于下折叠板的第一缺口内，扭簧位于上折叠板的第一缺口内，上折叠板和下折叠板上均设有第一轴孔，上折叠板和下折叠板上的第一轴孔均有两个且两个第一轴孔分居第一缺口的两端，扭簧轴穿过上折叠板和下折叠板的所有第一轴孔并与弹簧固定连接。

3.按照权利要求2所述的一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：第一平台和第二平台均为正方块，第一折叠组件和第二折叠组件均位于第一平台和第二平台之间，第一折叠组件的上折叠板和第二折叠组件的上折叠板分别转动式安装在第一平台的其中两个相对的侧面上，第一折叠组件的下折叠板和第二折叠组件的下折叠板分别转动式安装在第二平台的其中两个相对的侧面上，上折叠板和下折叠板均设有第二缺口，第二缺口位于上折叠板和下折叠板的中心。

4.按照权利要求3所述的一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：第一平台的侧面的两端均设有第一凸块，侧面两端的第一凸块之间设有第一直轴，上折叠板转动式安装在第一直轴上。

5.按照权利要求3所述的一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：第二平台的侧面的两端均设有第二凸块，侧面两端的第二凸块之间设有第二直轴，下折叠板转动式安装在第二直轴上。

6.按照权利要求1所述的一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：弹簧有两个，两个弹簧分居在扭簧轴的两端，每个弹簧的两端均分别与第一折叠组件的扭簧轴和第二折叠组件的扭簧轴固定连接，所有扭簧轴和所有弹簧首尾相连形成一个矩形，所有扭簧轴和所有弹簧形成的平面与第一平台、第二平台均平行。

7.按照权利要求6所述的一种折叠式准零刚度隔振装置，其特征在于：弹簧为导柱式弹簧。

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