CN110410443A - 一种零刚度冲击隔离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零刚度冲击隔离装置，该装置由外壳、半沙漏形凸台、滑块、弹簧、运动导向组件和内核组成，其中运动导向组件分别由固定于外壳和内核的直线轴承与对应的滑杆组成，且被分为横向导向组件和纵向导向组件，分别保证滑块沿横向运动、内核及被隔物体沿纵向往复运动。弹簧套在横向运动导向组件的滑杆的外面，两端分别与滑块和内核接触。当装置受到外界冲击载荷作用时，内核连同被隔物体相对于半沙漏形凸台和外壳上下往复运动，滑块受到半沙漏形凸台挤压相对于内核左右横向运动，此过程中弹簧向滑块提供弹性力，使其与半沙漏形凸台外表面保持接触并提供接触力。本发明具有设计容易、结构简单、可靠性高、安装操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及抗冲击、减震领域，具体涉及一种零刚度冲击隔离装置。可将外界高能量冲击载荷控制在可接受的范围内，主要应用在减震缓冲领域。
背景技术
零刚度冲击隔离装置是一种接近理想的减震缓冲机构，可以保证被隔物体在运动过程中将较高的冲击载荷控制在可接受的范围内，因此如今已在很多领域和场合得到了广泛应用，如航空航天、机械设计与自动化、机器人与机电一体化领域等。目前的零刚度装置可被分为主动式和被动式，主动式装置需要附加额外的传感和反馈控制设备，增加了装置的复杂性和成本，被动式装置多采用正负刚度并联方式实现零刚度，但并联时所带来的安装位置精度要求的提高，降低了装置的工程可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服上述所提出的问题，提供一种零刚度冲击隔离装置，采用了被动式纯机械传动方法，不使用并联机构就直接实现零刚度，并把机械摩擦因素考虑在了设计方法中，提高了装置的可靠性和工程适用性。该装置采用了工程适用性更强的被动式方法实现零刚度，设计容易、结构简单、可靠性高、安装操作方便。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种零刚度冲击隔离装置，包括：外壳、内核、第一半沙漏形凸台、第二半沙漏形凸台、第一滑块、第二滑块、第一弹簧、第二弹簧、两组横向运动导向组件和两组纵向运动导向组件，第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台分别固连于外壳的左侧壁和右侧壁；所述横向运动导向组件包括第一直线轴承及其对应的第一滑杆、第二直线轴承及其对应的第二滑杆；第一直线轴承和第二直线轴承分别与内核的左侧壁和右侧壁固连，第一滑杆的左端和第二滑杆的右端分别与第一滑块和第二滑块固连，第一滑杆的右端和第二滑杆的左端均设置足够长度的外螺纹；第一弹簧套在第一滑杆外面，两端分别与第一滑块和内核左侧壁相接触，第二弹簧套在第二滑杆外面，两端分别与第二滑块和内核右侧壁相接触；所述纵向运动导向组件包括第三直线轴承及其对应的第三滑杆、第四直线轴承及其对应的第四滑杆；第三直线轴承和第四直线轴承分别与外壳的上壁和下壁固连，第三滑杆的下端和第四滑杆的上端分别与内核的上下壁固连，第三滑杆的上端露出外壳上壁并与被隔物体固连，第四滑杆的下端自由；被隔物体与外壳上壁上表面之间和第四滑杆的下端与安装平面之间均设置足够长的距离，保证装置的最大行程大于外界冲击载荷的最大幅值。
进一步的，通过第一螺母和第二螺母分别与第一滑杆右端和第二滑杆左端所设置外螺纹的配合，调节第一弹簧和第二弹簧的预紧长度，保证初始状态下，第一滑块和第二滑块分别与第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台中心位置的外表面接触。
进一步的，第一滑块与第二滑块在横向运动导向组件的约束下只能沿横向运动，内核连同被隔物体在纵向运动导向组件的约束下只能沿纵向运动；内核与被隔物体在上下往复运动过程中，第一滑块与第二滑块始终分别与第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的外表面保持接触。
进一步的，通过对第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的厚度梯度设计，保证第一滑块和第二滑块相对于外壳上下往复运动过程中，分别与第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的作用力的纵向分量保持恒定，从而实现装置零刚度隔离冲击的特性。
进一步的，对第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的厚度梯度设计时考虑了摩擦因素，因此第一滑块和第二滑块均既可采用具有较小摩擦系数的滚轮形式，也可以采用具有较大摩擦系数的滑动摩擦块形式。
进一步的，通过同时调节第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的厚度和高度，可以调节装置承载能力和行程大小，该调节能力可以使装置适用于工程应用中不同工况的冲击隔离要求。
进一步的，装置整体上左右对称，既可被用于水平冲击隔离，又可被用于竖直冲击隔离。当用于水平冲击隔离时，不必考虑重力影响，因此第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台上下对称；当用于竖直冲击隔离时，由于重力方向始终向下，因此第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的下半部分在厚度梯度设计时要将装置的总设计承载力额外再加上被隔物体、第三滑杆、第四滑杆、内核、第一直线轴承、第二直线轴承、第一滑杆、第二滑杆、第一弹簧、第二弹簧、第一滑块和第二滑块的总重力，上半部分厚度梯度设计时则要减掉上述12个元件的总重力。
本发明零刚度的实现原理是基于受力分析的半沙漏形凸台厚度梯度识别方法。具体实现方法：当被隔物体发生上下运动时，将带动内核连同第一直线轴承、第二直线轴承、第一滑杆、第二滑杆、第一弹簧、第二弹簧、第一滑块和第二滑块一起上下运动，第一弹簧和第二弹簧产生变形并将分别挤压第一滑块和第二滑块，第一滑块和第二滑块将分别会进一步挤压第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台。通过受力分析，当分别满足横向和纵向的力平衡条件时，利用纵向零刚度条件可以识别出第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的厚度梯度，结果表明第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台的厚度梯度呈现出位移大时，横向弹簧力大，因此厚度梯度小；位移小时，横向弹簧力小，因此厚度梯度大的特点。利用所得到的厚度梯度可以最终设计出第一半沙漏形凸台和第二半沙漏形凸台满足设计要求的厚度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)考虑到实际应用过程中摩擦是不可避免的，本发明考虑了摩擦效应的影响，因此在具体实施时不必刻意追求接近光滑的微摩擦条件即可精确满足设计指标要求，因此降低了工艺和加工要求，具有较强的工程适用性。
(2)本发明所采用的半沙漏形凸台保证了上下往复均为零刚度的特性，当面对向上或向下的冲击载荷时，都能有效隔离。
(3)本发明结构简单，安装使用方便，可靠性高，通过传统的机械加工方法和普通工业产品就可实现，工艺性好，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构剖视图
图中，1为外壳，2为内核，3为第一半沙漏形凸台，4为第二半沙漏形凸台，5为第一滑块，6为第二滑块，7为第一弹簧，8为第二弹簧，9为第一直线轴承，10为第一滑杆，11为第二直线轴承，12为第二滑杆，13为第三直线轴承，14为第三滑杆，15为第四直线轴承，16为第四滑杆，17为被隔物体，18为安装平面，19为第一螺母，20为第二螺母。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种零刚度冲击隔离装置，所述的冲击隔离装置包括外壳1、内核2、第一半沙漏形凸台3、第二半沙漏形凸台4、第一滑块5、第二滑块6、第一弹簧7、第二弹簧8、两组横向运动导向组件和两组纵向运动导向组件；横向运动导向组件包括第一直线轴承9及其对应的第一滑杆10、第二直线轴承11及其对应的第二滑杆12；纵向运动导向组件包括第三直线轴承13及其对应的第三滑杆14、第四直线轴承15及其对应第四滑杆16。
具体安装时，第一步，安装运动导向组件；第二步，调节初始位置，安装核心受力元件。具体来讲：
第一步，将第一直线轴承9、第二直线轴承11、第三直线轴承13和第四直线轴承15分别与内核2的左侧壁、右侧壁和外壳1的上壁、下壁固连；然后将第一滑杆10、第二滑杆12、第三滑杆14和第四滑杆16分别嵌套入所对应的直线轴承内；其中第一滑杆10的右端和第二滑杆12的左端均设置预定长度的外螺纹；
第二步，将第一弹簧7套在第一滑杆10外面，第二弹簧8套在第二滑杆12外面；将第一滑杆10的左端和第二滑杆12的右端分别与第一滑块5和第二滑块6固连；这样，第一弹簧7两端分别与第一滑块5和内核2的左侧壁相接触，第二弹簧8两端分别与第二滑块6和内核2的右侧壁相接触；利用第一螺母19和第二螺母20分别与第一滑杆10右端和第二滑杆12左端外螺纹的配合，调节第一弹簧7和第二弹簧8的预紧量，使得第一滑块5左端与第二滑块6右端之间的距离等于固连于外壳1左侧壁的第一半沙漏形凸台3右外表面中心位置与固连于外壳1右侧壁的第二半沙漏形凸台4左外表面中心位置之间的距离，满足初始状态下，第一滑块5左端与第二滑块6右端分别与第一半沙漏形凸台3右外表面中心位置和第二半沙漏形凸台4左外表面中心位置相接触；最后将内核2的上下端面分别与第三滑杆14的下端和第四滑杆16的上端固连。
所述第三滑杆14的上端露出外壳1上壁的距离和第四滑杆16的下端与安装平面18之间的距离要预留预定尺寸，所述预定尺寸足够大，保证其大于外界冲击载荷的最大移动幅值。
所述半沙漏形凸台的厚度设计是按照受力分析和力平衡条件实现的。为满足当被隔物体发生上下运动时都具有零刚度特性，半沙漏形凸台的厚度梯度需满足位移大时厚度梯度小、位移小时厚度梯度大的特点。当面对横向冲击隔离问题时，半沙漏形凸台的厚度上下一致；当隔离装置被应用到纵向冲击问题时，由于重力作用，半沙漏形凸台的下半部分厚度会大于上半部分，但厚度梯度仍具有上述特点。
为避免理解的歧义，需要说明的是：本发明中所称的半沙漏形凸台的高度和厚度的定义进行说明。参考图1中，零刚度冲击隔离装置为纵向放置，半沙漏形凸台的高度是半沙漏形凸台纵向方向的尺寸；而半沙漏形凸台的厚度是指：与高度向垂直正交的方向，即半沙漏形凸台的水平方向的尺寸。
具体测试及应用时，分为静态性能测试和动力学应用。
首先，静态性能测试。将安装平面18固定，在第三滑杆14的上端施加准静态拉压载荷，利用相关静力学传感器设备，获得装置的力-位移响应曲线，检验其零刚度特性；
其次，动力学应用。将被隔物体17与第三滑杆14的上端固连，将安装平面18固定于实际应用时的设备上；将外界冲击载荷施加于安装平面18，利用相关动力学传感器设备检验被隔物体17的动态响应特性，验证装置的零刚度冲击隔离性能。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种零刚度冲击隔离装置，其特征在于：包括外壳(1)、内核(2)、第一半沙漏形凸台(3)、第二半沙漏形凸台(4)、第一滑块(5)、第二滑块(6)、第一弹簧(7)、第二弹簧(8)、两组横向运动导向组件和两组纵向运动导向组件，第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)分别固连于外壳(1)的左侧壁和右侧壁；
所述横向运动导向组件包括第一直线轴承(9)及其对应的第一滑杆(10)、第二直线轴承(11)及其对应的第二滑杆(12)；第一直线轴承(9)和第二直线轴承(11)分别与内核(2)的左侧壁和右侧壁固连，第一滑杆(10)的左端和第二滑杆(12)的右端分别与第一滑块(5)和第二滑块(6)固连，第一滑杆(10)的右端和第二滑杆(12)的左端均设置预定长度的外螺纹；第一弹簧(7)套在第一滑杆(10)外面，两端分别与第一滑块(5)和内核(2)左侧壁相接触，第二弹簧(8)套在第二滑杆(12)外面，两端分别与第二滑块(6)和内核(2)右侧壁相接触；
所述纵向运动导向组件包括第三直线轴承(13)及其对应的第三滑杆(14)、第四直线轴承(15)及其对应的第四滑杆(16)；第三直线轴承(13)和第四直线轴承(15)分别与外壳(1)的上壁和下壁固连，第三滑杆(14)的下端和第四滑杆(16)的上端分别与内核(2)的上下壁固连，第三滑杆(14)的上端露出外壳(1)上壁并与被隔物体(17)固连，第四滑杆(16)的下端自由；被隔物体(17)与外壳(1)上壁上表面之间、以及第四滑杆(16)的下端与安装平面(18)之间均设置预定长的距离，所述预定长的距离保证装置的最大行程大于外界冲击载荷的最大移动幅值。
2.根据权利要求1所述的零刚度冲击隔离装置，其特征在于：通过第一螺母(19)和第二螺母(20)分别与第一滑杆(10)右端和第二滑杆(12)左端所设置外螺纹的配合，调节第一弹簧(7)和第二弹簧(8)的预紧长度，保证初始状态下，第一滑块(5)和第二滑块(6)分别与第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)外表面的中心位置接触。
3.根据权利要求1所述的零刚度冲击隔离装置，其特征在于：第一滑块(5)与第二滑块(6)在横向运动导向组件的约束下只能沿横向运动，内核(2)连同被隔物体(17)在纵向运动导向组件的约束下只能沿纵向运动；内核(2)与被隔物体(17)在上下往复运动过程中，第一滑块(5)与第二滑块(6)始终分别与第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)的外表面保持接触。
4.根据权利要求1所述的零刚度冲击隔离装置，其特征在于：通过对第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)的厚度梯度设计，保证第一滑块(5)和第二滑块(6)相对于外壳上下往复运动过程中，分别与第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)的作用力的纵向分量保持恒定，从而实现装置零刚度隔离冲击的特性。
5.根据权利要求4所述的零刚度冲击隔离装置，其特征在于：对第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)的厚度梯度设计时考虑了摩擦因素，第一滑块(5)和第二滑块(6)均采用滚轮形式，或者采用滑动摩擦块形式。
6.根据权利要求1所述的零刚度冲击隔离装置，其特征在于：通过同时调节第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)的厚度和高度，来调节装置承载能力和行程大小，该调节能力使装置适用于工程应用中不同工况的冲击隔离要求。
7.根据权利要求1所述的零刚度冲击隔离装置，其特征在于：装置整体上左右对称，既能被用于水平冲击隔离，又能被用于竖直冲击隔离；当用于水平冲击隔离时，不必考虑重力影响，因此第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)上下对称；当用于竖直冲击隔离时，由于重力方向始终向下，因此第一半沙漏形凸台(3)和第二半沙漏形凸台(4)的下半部分在厚度梯度设计时要将装置的总设计承载力额外再加上被隔物体(17)、第三滑杆(14)、第四滑杆(16)、内核(2)、第一直线轴承(9)、第二直线轴承(11)、第一滑杆(10)、第二滑杆(12)、第一弹簧(7)、第二弹簧(8)、第一滑块(5)和第二滑块(6)的总重力，上半部分厚度梯度设计时则要减掉上述12个元件的总重力。
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