CN110671459A - 一种结构紧凑的准零刚度隔振器 - Google Patents

一种结构紧凑的准零刚度隔振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种结构紧凑的准零刚度隔振器，涉及振动控制领域，壳体中形成一个贯穿壳体上下表面的腔体，导向组件固定于壳体的上端，板弹簧固定于壳体的下端，连接轴套设于导向组件内，负载平台安装于连接轴上端，导磁轴安装于连接轴下端，连接轴能够带动负载平台和导磁轴相对于壳体和导向组件沿轴向运动，磁铁环固定安装于腔体内，且磁铁环同轴间隙套设于导磁轴外部，调节组件安装于板弹簧上，且调节组件的上端与导磁轴连接，调节组件用于调节导磁轴在竖直方向上的初始位置。本发明提供的准零刚度隔振器结构简单紧凑，占用空间小，保持承载能力的同时，降低固有频率，减弱负载平台和激励源的动态耦合，扩展隔振频带，提高隔振效果。

Description

一种结构紧凑的准零刚度隔振器
技术领域
本发明涉及振动控制领域，特别是涉及一种结构紧凑的准零刚度隔振器。
背景技术
振动普遍存在于自然界、工程技术和日常生活中。合理地利用振动能为人类带来积极的影响，但是在多数情况下，振动会对人类的生产生活带来诸多不便甚至巨大的危害，例如振动干扰会降低机床加工的精度，环境噪声达到一定分贝值后会严重影响人们的工作效率和休息质量。目前被大家所广泛关注的振动控制方法是在振源和接受结构之间引入隔振元件，也就是通过改变传递途径的方式以达到隔离振动的目的。然而，目前被大家广泛使用的被动隔振器在隔振性能和承载能力之间存在固有矛盾：线性隔振器要隔离振动，需要其固有频率低于外部激励频率的0.7倍，在负载不能增加的情况下，只能通过降低隔振器的刚度来降低固有频率，然而刚度过低会造成静变形过大和失稳的问题，导致系统承载能力低。这个矛盾可以通过引入具有高静态低动态刚度特性的非线性元件来克服，这类系统是通过在普通正刚度元件上并联一个负刚度结构让平衡位置附近的动态刚度相互抵消实现的，也叫作准零刚度。这种隔振器具有较低的固有频率，可以实现良好的隔振效果，同时具有较小的静态变形，可以实现大承载量。负刚度和正刚度相对，是指力-位移曲线斜率为负的特性，负刚度是不稳定的。机械负刚度弹簧一般通过正刚度弹簧特定几何关系的组合实现，性能会受到材料疲劳和加工应力的影响，装配过程比如预压等也会影响负刚度的值，而且体积较大，装配复杂。永磁体在超精密减振领域具有广泛的应用前景，通过对永磁体进行特殊的配置，可实现磁负刚度。
石翔提出的授权公告号为CN 105805204 B的磁负刚度机构，利用横向静磁铁与横向动磁铁同极相斥所产生的位移减弱型负刚度特性，以及纵向静磁铁与纵向动磁铁异极相吸产生的位移增强型负刚度特性，通过铁芯将动磁铁组连接在一起，即可将位移增强型刚度与位移减弱型刚度结合在一起，静磁铁组的大小、强度，磁极布置在经过设计后，可以在静磁铁固定架内形成合适的磁场，从而对动磁铁组施加具有线性负刚度特性的力。华中科技大学提出的授权公告号为CN 102808883 B的磁负刚度机构，磁极部分采用多组磁铁并行布置，两组相邻磁铁磁化方向相反，利用磁铁反向布置的排斥作用形成负刚度特性，且可通过负刚度调整部件调节磁铁间距来改变负刚度大小。以上的负刚度机构存在结构复杂以及占用空间大的缺点。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种结构紧凑的准零刚度隔振器，结构简单紧凑，占用空间小，保持承载能力的同时，降低固有频率，减弱负载平台和激励源的动态耦合，扩展隔振频带，提高隔振效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种结构紧凑的准零刚度隔振器，包括负载平台、导向组件、壳体、连接轴、导磁轴、磁铁环、板弹簧和调节组件，所述壳体中形成一个贯穿所述壳体上下表面的腔体，所述导向组件固定于所述壳体的上端，所述板弹簧固定于所述壳体的下端，所述连接轴套设于所述导向组件内，所述负载平台安装于所述连接轴上端，所述导磁轴安装于所述连接轴下端，所述连接轴能够带动所述负载平台和所述导磁轴相对于所述壳体和所述导向组件沿轴向运动，所述磁铁环固定安装于所述腔体内，且所述磁铁环同轴间隙套设于所述导磁轴外部，所述调节组件安装于所述板弹簧上，且所述调节组件的上端与所述导磁轴连接，所述调节组件用于调节所述导磁轴在竖直方向上的初始位置。
优选地，所述壳体包括磁铁外壳和板簧支架，所述磁铁外壳固定于所述板簧支架上端，所述导向组件固定于所述磁铁外壳上端，所述板弹簧固定于所述板簧支架下端，所述磁铁外壳和所述板簧支架之间形成环形凹槽，所述磁铁环固定于所述环形凹槽中。
优选地，所述磁铁环为轴向充磁的环形永磁铁，所述导磁轴为高导磁率材料制成的圆柱轴。
优选地，所述磁铁环与所述导磁轴的轴向高度不同。
优选地，所述导向组件包括轴承座和直线轴承，所述轴承座固定于所述磁铁外壳上端，所述直线轴承固定套设于所述轴承座内，所述连接轴套设于所述直线轴承内。
优选地，所述板弹簧包括中间圆环和连接于所述中间圆环边缘的多个支撑臂，所述支撑臂固定于所述板簧支架下端。
优选地，所述支撑臂远离所述中间圆环的一端设有通孔，螺栓穿过所述通孔将所述支撑臂固定于所述板簧支架下端。
优选地，多个所述支撑臂沿周向均匀分布于所述中间圆环的周边。
优选地，所述调节组件包括轴端螺栓和调节螺母，所述轴端螺栓由下端穿过所述板弹簧伸至所述腔体内，且所述轴端螺栓的上端与所述导磁轴的底端连接，所述轴端螺栓上旋接有所述调节螺母，所述调节螺母压紧在所述板弹簧的上表面，所述调节螺母用于调节所述负载平台以及所述导磁轴相对于所述磁铁环的初始位置。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的结构紧凑的准零刚度隔振器，包括负载平台、导向组件、壳体、连接轴、导磁轴、磁铁环、板弹簧和调节组件，磁铁环和导磁轴组成负刚度机构，板弹簧作为正刚度机构，负刚度机构在平衡位置与正刚度机构并联的情况下，负刚度使负载平台远离平衡位置的力与正刚度使负载平台回复平衡位置的力相互抵消，可以实现准零刚度，这种准零刚度降低隔振器固有频率，减弱负载平台和激励源的动态耦合，扩展隔振频带，提高隔振效果，同时不影响隔振器的静变位，保持了正刚度的承载能力。同时，本发明中的准零刚度隔振器采用板弹簧和紧凑的磁负刚度弹簧并联，其结构简单紧凑，装配简便，占用空间小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的结构紧凑的准零刚度隔振器的角剖轴测图；
图2为本发明提供的结构紧凑的准零刚度隔振器的剖视图；
图3为本发明中负刚度机构的结构示意图；
图4为本发明中板弹簧的结构示意图。
附图标记说明：1、板簧支架；2、磁铁外壳；3、轴承座；4、直线轴承；5、连接轴；6、负载平台；7、导磁轴；8、磁铁环；9、轴端螺栓；10、调节螺母；11、板弹簧；1101、中间圆环；1102、支撑臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种结构紧凑的准零刚度隔振器，结构简单紧凑，占用空间小，保持承载能力的同时，降低固有频率，减弱负载平台和激励源的动态耦合，扩展隔振频带，提高隔振效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本实施例提供一种结构紧凑的准零刚度隔振器，包括负载平台6、导向组件、壳体、连接轴5、导磁轴7、磁铁环8、板弹簧11和调节组件，壳体中形成一个贯穿壳体上下表面的腔体，导向组件固定于壳体的上端，板弹簧11固定于壳体的下端，连接轴5套设于导向组件内，负载平台6安装于连接轴5上端，导磁轴7安装于连接轴5下端，连接轴5能够带动负载平台6和导磁轴7相对于壳体和导向组件沿轴向运动，磁铁环8固定安装于腔体内，且磁铁环8同轴间隙套设于导磁轴7外部，磁铁环8和导磁轴7组成负刚度机构，板弹簧11作为正刚度机构，负刚度机构与正刚度机构之间形成并联。调节组件安装于板弹簧11上，且调节组件的上端与导磁轴7连接，调节组件用于调节导磁轴7在竖直方向上的初始位置。
具体地，磁铁环8与导磁轴7同轴设置，磁铁环8为轴向充磁的环形永磁铁，导磁轴7需要用高导磁率材料制成，比如电工纯铁，可以被磁化；相应的，隔振器其他部分应该用非导磁材料制成，比如铝合金，以免影响磁场分布。
壳体包括磁铁外壳2和板簧支架1，磁铁外壳2固定于板簧支架1上端，导向组件固定于磁铁外壳2上端，板弹簧11固定于板簧支架1下端，磁铁外壳2和板簧支架1之间形成环形凹槽，磁铁环8固定于环形凹槽中。具体地，磁铁外壳2和板簧支架1通过螺栓固定连接。
导向组件包括轴承座3和直线轴承4，轴承座3固定于磁铁外壳2上端，直线轴承4固定套设于轴承座3内，连接轴5套设于直线轴承4内。具体地，轴承座3和磁铁外壳2通过螺栓固定连接，直线轴承4和轴承座3通过螺栓固定连接。直线轴承4用于减小运动中的摩擦，降低系统阻尼率。
如图4所示，板弹簧11包括中间圆环1101和连接于中间圆环1101边缘的多个支撑臂1102，支撑臂1102固定于板簧支架1下端。具体地，支撑臂1102远离中间圆环1101的一端设有通孔，螺栓穿过通孔将支撑臂1102固定于板簧支架1下端。于本具体实施例中，多个支撑臂1102沿周向均匀分布于中间圆环1101的周边，支撑臂1102设置为三个。
调节组件包括轴端螺栓9和调节螺母10，轴端螺栓9由下端穿过板弹簧11伸至腔体内，且轴端螺栓9的上端与导磁轴7的底端连接，轴端螺栓9上旋接有调节螺母10，调节螺母10压紧在板弹簧11的上表面，导磁轴7通过调节螺母10压在板弹簧11的上表面，调节螺母10用于调节负载平台6以及导磁轴7相对于磁铁环8的初始位置。无振动的初始工作位置下，磁铁环8的中心与导磁轴7的中心应处于同一高度，使用时，通过旋转调节螺母10可以调节导磁轴7与板弹簧11的中间圆环1101之间的距离，而静载下板弹簧11的压缩量不变，也就是说由此调节了导磁轴7和磁铁环8的静载相对位置，从而使得静载下负刚度机构处于平衡位置。
由于轴端的聚磁效应，磁铁环8会吸引导磁轴7的两个轴端向中间靠拢，而且轴端离磁铁环8越近吸引力越大。当导磁轴7处于磁铁环8的中间位置时，磁铁环8对导磁轴7两端的吸引力相等，导磁轴7受合力为0，负刚度机构处于平衡位置。但是这个平衡与正刚度弹簧的静力平衡不同，这个平衡是不稳定。对于正刚度弹簧承载一个质量来说，发生外力扰动时，正刚度力和重力会使得负载回到静载平衡位置。而对于负刚度机构来说，一旦中间的导磁轴7偏离这个平衡位置，一个轴端更靠近磁铁环8，这个轴端就会受到更大的吸引力，使得导磁轴7更加偏离平衡位置，也就是说，没有外力的情况下负刚度机构一旦偏离平衡位置就不能回复。在没有振动的静载荷下，通过旋转调节螺母10使得导磁轴7处于磁铁环8的中间位置，此时负刚度机构处于平衡位置，这是隔振器的理想初始状态。
负刚度机构在平衡位置与正刚度机构并联的情况下，负刚度使负载平台6远离平衡位置的力与正刚度使负载平台6回复平衡位置的力相互抵消，可以实现准零刚度。这种准零刚度降低了隔振器固有频率，减弱了负载平台6和激励源的动态耦合，扩展了隔振频带，提高了隔振效果，同时负刚度不影响隔振器的静变位，保持了正刚度的承载能力。此外，本实施例中的隔振器使用板弹簧和紧凑的磁负刚度弹簧并联，其结构简单紧凑，装配简便，占用空间小。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，包括负载平台、导向组件、壳体、连接轴、导磁轴、磁铁环、板弹簧和调节组件，所述壳体中形成一个贯穿所述壳体上下表面的腔体，所述导向组件固定于所述壳体的上端，所述板弹簧固定于所述壳体的下端，所述连接轴套设于所述导向组件内，所述负载平台安装于所述连接轴上端，所述导磁轴安装于所述连接轴下端，所述连接轴能够带动所述负载平台和所述导磁轴相对于所述壳体和所述导向组件沿轴向运动，所述磁铁环固定安装于所述腔体内，且所述磁铁环同轴间隙套设于所述导磁轴外部，所述调节组件安装于所述板弹簧上，且所述调节组件的上端与所述导磁轴连接，所述调节组件用于调节所述导磁轴在竖直方向上的初始位置。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述壳体包括磁铁外壳和板簧支架，所述磁铁外壳固定于所述板簧支架上端，所述导向组件固定于所述磁铁外壳上端，所述板弹簧固定于所述板簧支架下端，所述磁铁外壳和所述板簧支架之间形成环形凹槽，所述磁铁环固定于所述环形凹槽中。
3.根据权利要求1所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述磁铁环为轴向充磁的环形永磁铁，所述导磁轴为高导磁率材料制成的圆柱轴。
4.根据权利要求1所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述磁铁环与所述导磁轴的轴向高度不同。
5.根据权利要求2所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述导向组件包括轴承座和直线轴承，所述轴承座固定于所述磁铁外壳上端，所述直线轴承固定套设于所述轴承座内，所述连接轴套设于所述直线轴承内。
6.根据权利要求2所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述板弹簧包括中间圆环和连接于所述中间圆环边缘的多个支撑臂，所述支撑臂固定于所述板簧支架下端。
7.根据权利要求6所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述支撑臂远离所述中间圆环的一端设有通孔，螺栓穿过所述通孔将所述支撑臂固定于所述板簧支架下端。
8.根据权利要求6所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，多个所述支撑臂沿周向均匀分布于所述中间圆环的周边。
9.根据权利要求1所述的结构紧凑的准零刚度隔振器，其特征在于，所述调节组件包括轴端螺栓和调节螺母，所述轴端螺栓由下端穿过所述板弹簧伸至所述腔体内，且所述轴端螺栓的上端与所述导磁轴的底端连接，所述轴端螺栓上旋接有所述调节螺母，所述调节螺母压紧在所述板弹簧的上表面，所述调节螺母用于调节所述负载平台以及所述导磁轴相对于所述磁铁环的初始位置。
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