CN111911576A - 一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器，克服了难以同时满足在有限预压缩量下的大负载和低频隔振要求的问题，其由基础板、负载平台、正刚度机构与负刚度机构组成；负刚度机构包括右固定板、弹簧固定座、左固定板与支撑杆；基础板水平放置，负载平台平行地位于基础板的正上方；正刚度机构的左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构垂直地布置在基础板与负载平台之间的左右两端，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构的顶端和负载平台固定连接，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构的底端和基础板固定连接；负刚度机构底端通过右固定板、弹簧固定座、左固定板安装在正刚度机构内的基础板上，负刚度机构的顶端通过支撑杆和负载平台连接。

Description

一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及一种低频隔振装置，更确切地说，本发明涉及一种由正负刚度机构并联构成的非线性准零刚度隔振器。

背景技术

精密仪器的使用，航空航天设备的运行，车辆驾驶的舒适性，以及建筑桥梁等的安全防震都需要隔离来自环境及自身振动的干扰。在设备与振源之间加装隔振器是常用的隔振方式，而工程中广泛采用的线性隔振器，存在难以同时满足在有限预压缩量下的大负载(要求高刚度)和低频隔振(要求低刚度)的性能要求。而由正负刚度机构并联构成的具有高静刚度和低动刚度特性的非线性准零刚度隔振器，以其独特的优势得到了工程技术人员和科研工作者们的广泛关注和研究。目前有报道研究的非线性准零刚度隔振器，主要有倾斜弹簧并联竖直弹簧型、倾斜刚杆铰接水平弹簧并联竖直弹簧型、剪刀型、凸轮滚子水平弹簧并联竖直弹簧型、磁弹簧型、欧拉压杆并联线性隔振器型等。本发明设计了一种包含悬臂片弹簧和L型杠杆组合的准零刚度隔振器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了线性隔振器难以同时满足在有限预压缩量下的大负载(要求高刚度)和低频隔振(要求低刚度)要求的问题，提供了一种正负刚度机构并联的、具有高静刚度和低动刚度特性的包含悬臂片弹簧和L型杠杆组合的准零刚度隔振器。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器由基础板、负载平台、正刚度机构与负刚度机构组成；

所述的正刚度机构包括左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构；

所述的负刚度机构包括右固定板、弹簧固定座、左固定板与支撑杆；

所述的基础板水平地放置，负载平台水平放置并位于基础板的正上方；左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构垂直地布置在基础板与负载平台之间并位于基础板与负载平台的左右两端，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构的顶端和负载平台的底面固定连接，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构的底端和基础板的上表面固定连接；负刚度机构的底端通过右固定板、弹簧固定座、左固定板安装在左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构之间的基础板上，负刚度机构的顶端通过支撑杆和负载平台底面的中心处固定连接。

技术方案中所述的负刚度机构还包括一号导向杆、二号导向杆、左导向套部件、左L型杠杆部件、支撑杆连接头、右L型杠杆部件、右导向套部件、片弹簧与弹簧压板；弹簧固定座安装在基础板中心处，左固定板与右固定板平行对称地安装在弹簧固定座的左右两侧，左固定板与右固定板位于左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构中的左螺旋弹簧与右螺旋弹簧的里侧；片弹簧左右对称地安装在弹簧固定座顶端的凹槽内并采用弹簧压板与螺栓固定；一号导向杆、二号导向杆相互平行地安装在左固定板与右固定板的上端，一号导向杆、二号导向杆到基础板上表面的距离相等；左导向套部件与右导向套部件套装在一号导向杆、二号导向杆上，左导向套部件与右导向套部件和一号导向杆、二号导向杆之间为滑动连接；左L型杠杆部件与右L型杠杆部件通过其中间处套装在左导向套部件与右导向套部件上，左L型杠杆部件与右L型杠杆部件和左导向套部件与右导向套部件之间为转动连接，左L型杠杆部件顶端与右L型杠杆部件顶端和支撑杆连接头采用销轴转动连接，支撑杆连接头通过支撑杆和负载平台底端面的中心处固定连接；左L型杠杆部件与右L型杠杆部件底端和片弹簧的上表面接触连接。

技术方案中所述的左L型杠杆部件由左滚动轴承、左L型杠杆本体与左L型杠杆长臂连接头组成；所述的左L型杠杆本体由左L型杠杆短臂、左L型杠杆肘关节与左L型杠杆长臂组成；所述的左L型杠杆短臂的顶端与左L型杠杆长臂的左端分别焊接固定在左L型杠杆肘关节的外圆柱面上，左L型杠杆短臂位于左L型杠杆肘关节的下面，左L型杠杆长臂位于左L型杠杆肘关节的右面，左L型杠杆短臂与左L型杠杆长臂的回转轴线和左L型杠杆肘关节的回转轴线相互垂直相交，左L型杠杆短臂与左L型杠杆长臂的回转轴线垂直相交在同一平面上；所述的左L型杠杆长臂连接头与左L型杠杆长臂的右端通过螺纹连接，左滚动轴承通过销轴固定在左L型杠杆短臂的底端，左滚动轴承的内轴承环与销轴之间为过盈配合。

技术方案中所述的左导向套部件由一号固定套、、一号直线轴承、一号轴承挡环、二号直线轴承、二号轴承挡环、二号固定套、三号轴承挡环、连接轴与四号轴承挡环组成；所述的一号固定套套装在一号直线轴承上，一号轴承挡环与四号轴承挡环安装在一号直线轴承两端的轴承挡环槽里，一号轴承挡环与四号轴承挡环里侧端面和一号固定套中大圆环体的两端面接触连接；二号固定套套装在二号直线轴承上，二号轴承挡环与三号轴承挡环安装在二号直线轴承两端的轴承挡环槽里，二号轴承挡环与三号轴承挡环里侧端面和二号固定套中大圆环体的两端面接触连接；连接轴的一端固定安装在一号固定套上的小连接孔内，连接轴的另一端固定安装在二号固定套上的小连接孔内，连接轴的回转轴线和一号直线轴承与二号直线轴承的回转轴线垂直相交。

技术方案中所述的左弹簧阻尼导向机构包括左螺旋弹簧、左导柱与左导套；所述的左螺旋弹簧为正刚度弹簧，左螺旋弹簧与右弹簧阻尼导向机构中的右螺旋弹簧的刚度值之和等于或大于负刚度机构的最小负刚度的绝对值，左螺旋弹簧安装固定在相互平行对正的基础板与负载平台之间，左螺旋弹簧垂直于基础板与负载平台，布置在基础板与负载平台的左端，左螺旋弹簧的顶端和负载平台左端的凹槽固定连接，左螺旋弹簧的底端和基础板左端的凹槽固定连接；所述的左导套套装在左导柱上，两者之间为滑动连接，套装在一起的左导套与左导柱安装在左螺旋弹簧内，左导套与左导柱的回转轴线和左螺旋弹簧的回转轴线共线，左导套的顶端与负载平台左端固定连接，左导柱的底端与基础板左端固定连接。

技术方案中所述的右弹簧阻尼导向机构包括右螺旋弹簧、右导柱和右导套；所述的右螺旋弹簧为正刚度弹簧，右螺旋弹簧与左弹簧阻尼导向机构中的左螺旋弹簧的刚度值之和等于或大于负刚度机构的最小负刚度的绝对值，右螺旋弹簧与左螺旋弹簧结构相同，右螺旋弹簧安装固定在相互平行对正的基础板与负载平台之间，右螺旋弹簧垂直于基础板与负载平台，并和左螺旋弹簧相对称地布置在基础板与负载平台的右端，右螺旋弹簧的顶端和负载平台右端的凹槽固定连接，右螺旋弹簧的底端和基础板右端的凹槽固定连接；所述的右导柱与左弹簧阻尼导向机构中的左导柱的结构相同，右导柱安装在位于基础板与负载平台右端的右螺旋弹簧内，右导柱的底端与基础板右端固定连接；右导套与左弹簧阻尼导向机构中的左导套的结构相同，右导套安装在位于基础板与负载平台右端的右螺旋弹簧内并套装在右导柱上，两者之间为滑动连接，右导套与右导柱的回转轴线和右螺旋弹簧的回转轴线共线，右导套的顶端与负载平台右端固定连接。

技术方案中所述的弹簧固定座为矩形平板类结构件，弹簧固定座由矩形的固定座主体与底部的矩形的固定底座组成，固定座主体的底端与固定底座的纵向对称线处固定连接，固定座主体与固定底座相垂直，固定座主体宽度与固定底座的长度相等，固定底座上均匀地设置有2排安装螺栓的螺栓通孔；固定座主体顶部的中间处设置有一个用以固定片弹簧的凹槽，凹槽的宽度与片弹簧的宽度相等，凹槽的深度与片弹簧的厚度相等，凹槽两侧设置有螺纹孔，螺纹孔用于采用螺栓固定连接弹簧压板。

技术方案中所述的左固定板为由2个矩形板组成的板类结构件，左固定板由固定主板与固定底板组成，固定主板的宽度与固定底板的长度相等，固定主板的上端的两侧对称地设置有用于安装一号导向杆、二号导向杆的两组通孔，每组通孔的对称中心到左固定板底端面的距离相等，该距离大于弹簧固定座顶端面到其底端面的距离；固定底板上设置有两行螺栓通孔，固定底板上的两行螺栓通孔对称地分置在其纵向对称线的两侧，固定主板的底端与固定底板的纵向对称线处垂直固定连接，左固定板与右固定板结构相同，左固定板与右固定板对称地分置在弹簧固定座的左右两侧。

技术方案中所述的基础板为长方形平板结构件，基础板的左右两侧分别设置有一个阶梯孔和四个螺纹孔，左侧的一个用于安装左导柱的阶梯孔和四个用于安装左固定板的螺纹孔分别与右侧的一个用于安装右导柱的阶梯孔和四个用于安装右固定板的螺纹孔是关于基础板的纵横对称中心线呈对称布置，左右两个阶梯孔的中心距大于左侧四个螺纹孔与右侧四个螺纹孔的间距，基础板上的左右两阶梯孔的周围分别设置有圆环形的用于安装左螺旋弹簧和右螺旋弹簧底端的凹槽，并且左右两个阶梯孔的回转轴线分别和左右两个圆环形的凹槽的回转轴线共线，基础板的中间位置设置有四个用于安装弹簧固定座的螺纹孔，用以安装弹簧固定座的四个螺纹孔相对于基础板的纵横对称中心线呈对称布置。

技术方案中所述的负载平台为长方形平板结构件，负载平台的左右两侧分别加工有一个阶梯孔，左侧的用于安装左导套的阶梯孔与右侧的用于安装右导套阶梯孔是关于负载平台的纵横对称中心线呈对称布置，负载平台左侧的阶梯孔与基础板左侧的阶梯孔位置对正，负载平台右侧的阶梯孔与基础板右侧的阶梯孔位置对正，负载平台的下表面并且在两阶梯孔的周围分别设置有圆环形的用以安装左螺旋弹簧和右螺旋弹簧的顶端凹槽，负载平台的中间位置均匀地布置有四个用于固定支撑杆的螺纹孔。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器具有高静刚度和低动刚度特性，在保证静态支撑力的同时，起始隔振频率大大降低，能够实现低频甚至超低频隔振；

2.本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器与其它由正负刚度并联构成的准零刚度隔振器相比在平衡点附近振动时，负刚度机构可以提供部分静态支撑力；

3.本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器呈现非线性阻尼特性，在不影响高频隔振振动传递率的同时，可以降低固有频率附近振动的振动传递率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的处于初始(无负载)位置时的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器结构组成的轴测投影视图；

图2为本发明所述的处于零刚度点位置的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器结构组成的轴测投影视图；

图3为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左L型杠杆部件结构组成的轴测投影视图；

图4为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的右L型杠杆部件结构组成的轴测投影视图；

图5为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左导向套部件结构组成的轴测投影视图；

图6为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左L型杠杆部件中的左L型杠杆本体结构组成的轴测投影视图；

图7为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左L型杠杆部件中的左L型杠杆长臂连接头结构组成的轴测投影视图；

图8为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的右L型杠杆部件中的右L型杠杆长臂连接头结构组成的轴测投影视图；

图9为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左导向套部件中的一号固定套结构组成的轴测投影视图；

图10为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的弹簧固定座结构组成的轴测投影视图；

图11为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左固定板结构组成的轴测投影视图；

图12为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的左导向套部件中的一号直线轴承结构组成的轴测投影视图；

图13为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的片弹簧结构组成的轴测投影视图；

图14为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器中所采用的一号法兰固定盘结构组成的轴测投影视图；

图15为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器的无量纲刚度

随负载平台与基础板的无量纲相对位移

的变化曲线；

图16为本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器的无量纲储存力

随负载平台与基础板的无量纲相对位移

的变化曲线；

图中：1.一号导向杆，2.二号导向杆，3.左导向套部件，3-1.一号固定套，3-2.一号直线轴承，3-3.一号轴承挡环，3-4.二号直线轴承，3-5.二号轴承挡环，3-6.二号固定套，3-7.三号轴承挡环，3-8.左连接轴，3-9.四号轴承挡环，4.左L型杠杆部件，4-1.左滚动轴承，4-2.左L型杠杆本体，4-2-1.左L型杠杆短臂，4-2-2.左L型杠杆肘关节，4-2-3.左L型杠杆长臂，4-3.左L型杠杆长臂连接头，5.支撑杆连接头，6.右L型杠杆部件，6-1.右滚动轴承，6-2.右L型杠杆本体，6-3.右L型杠杆长臂连接头，7.右导向套部件，8.右固定板，9.片弹簧，10.弹簧压板，11.弹簧固定座，12.基础板，13.左固定板，14.左螺旋弹簧，15.左导柱，16.左导套，17.负载平台，18.支撑杆，19.右导套，20.右导柱，21.右螺旋弹簧，22.一号法兰固定盘，23.二号法兰固定盘，24.三号法兰固定盘，25.四号法兰固定盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器由基础板12、负载平台17、正刚度机构与负刚度机构组成。

所述的基础板12为长方形平板结构件，基础板的左右两侧分别设置有一个阶梯孔和四个螺纹孔，左侧的一个阶梯孔和四个螺纹孔分别与右侧的一个阶梯孔和四个螺纹孔是关于基础板12的纵横对称中心线呈对称布置，左右两阶梯孔分别用于安装左导柱15与右导柱20，左侧的四个螺纹孔与右侧的四个螺纹孔分别用于安装左固定板13与右固定板8，左右两个阶梯孔的中心距大于左侧四个螺纹孔与右侧四个螺纹的间距，基础板12上的两个阶梯孔中的大孔的周围分别设置有圆环形的凹槽，并且左右两个阶梯孔的回转轴线分别和左右两个圆环形的凹槽的回转轴线共线，左右两个圆环形的凹槽用于安装固定左螺旋弹簧14和右螺旋弹簧21的底端，基础板的中间位置设置有四个螺纹孔，用于固定弹簧固定座11，用于安装固定弹簧固定座11的四个螺纹孔相对于基础板12的纵横对称中心线呈对称布置。

所述的负载平台17为长方形平板结构件，负载平台的左右两侧分别加工有一个阶梯孔，左侧的阶梯孔与右侧的阶梯孔关于负载平台的纵横对称中心线呈对称布置，负载平台17左侧的阶梯孔与基础板12左侧的阶梯孔位置对正，负载平台17右侧的阶梯孔与基础板12右侧的阶梯孔位置对正，负载平台17的下表面两阶梯孔的周围分别设置有圆环形的凹槽，左右两个圆环形的凹槽用以固定左螺旋弹簧14和右螺旋弹簧21的顶端，负载平台17的中间位置绕负载平台17的对称中心均布有四个螺纹孔，四个螺纹孔用以固定支撑杆18。

参阅图1，所述的正刚度机构包括左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构结构相同。

所述的左弹簧阻尼导向机构包括左螺旋弹簧14、左导柱15与左导套16；

所述的右弹簧阻尼导向机构包括右螺旋弹簧21、右导柱20和右导套19；

所述的左螺旋弹簧14与右螺旋弹簧21均为正刚度弹簧，左螺旋弹簧14与右螺旋弹簧21的刚度值之和等于或大于负刚度机构的最小负刚度的绝对值，左螺旋弹簧14与右螺旋弹簧21结构相同，安装固定在相互平行对正的基础板12与负载平台17之间，左螺旋弹簧14与右螺旋弹簧21垂直于基础板12与负载平台17，并对称地布置在基础板12与负载平台17的左右两端，左螺旋弹簧14与右螺旋弹簧21的顶端和负载平台17左右端的底面固定连接，左螺旋弹簧14与右螺旋弹簧21的底端和基础板12左右端的上表面固定连接；

所述的左导套16套装在左导柱15上，两者之间为滑动连接，套装在一起的左导套16与左导柱15安装在左螺旋弹簧14内，左导套16与左导柱15的回转轴线和左螺旋弹簧14的回转轴线共线，左导套16顶端的外圆周面与负载平台17左端的阶梯孔中的大孔过盈配合连接，左导柱15底端的外圆周面与基础板12左端的阶梯孔中的大孔过盈配合连接，左导套16与左导柱15之间滑动时，左螺旋弹簧14被压缩或伸长，起到竖直方向导向作用和提供部分阻尼力；

所述的右导柱20与左导柱15的结构相同，右导柱20安装在位于基础板12与负载平台17右端的右螺旋弹簧21内，右导柱20底端的外圆周面与基础板12右端的阶梯孔中的大孔过盈配合连接，右导套19与左导套16的结构相同，右导套19安装在位于基础板12与负载平台17右端的右螺旋弹簧21内并套装在右导柱20上，两者之间为滑动连接，右导套19与右导柱20的回转轴线和右螺旋弹簧21的回转轴线共线，右导套19顶端的外圆周面与负载平台17右端的阶梯孔中的大孔过盈配合连接，右导套19与右导柱20之间滑动时，右螺旋弹簧21被压缩或伸长，起到竖直方向导向作用和提供部分阻尼力；

参阅图1，所述的负刚度机构包括一号导向杆1、二号导向杆2、左导向套部件3、左L型杠杆部件4、支撑杆连接头5、右L型杠杆部件6、右导向套部件7、右固定板8、片弹簧9、弹簧压板10、弹簧固定座11、左固定板13与支撑杆18；

所述的一号导向杆1与二号导向杆2结构尺寸相同，皆为圆柱形等横截面的直杆结构件，一号导向杆1与二号导向杆2前后平行地安装在右固定板8与左固定板13的上端，一号导向杆1与二号导向杆2的左端分别通过一号法兰固定盘22和二号法兰固定盘23与左固定板13连接，一号导向杆1与二号导向杆2的右端分别通过四号法兰固定盘25和三号法兰固定盘24与右固定板8连接，一号导向杆1与二号导向杆2和基础板12的距离相同，即一号导向杆1与二号导向杆2处于同一水平面上。

参阅图1，所述的支撑杆18的主体为圆柱形等横截面的直杆形结构件，支撑杆的底端加工有外螺纹，与支撑杆连接头5的内螺纹配合连接，支撑杆18的主体的顶端固定连接有圆柱体形凸台，凸台的外圆周直径大于支撑杆18的主体的直径，凸台的轴心与支撑杆主体的轴心共线，凸台上加工有四个绕凸台的轴心均布的通孔，用以与负载平台17的中间位置的四个螺纹孔对正连接。

参阅图3与图6，所述的左L型杠杆部件4由左滚动轴承4-1、左L型杠杆本体4-2与左L型杠杆长臂连接头4-3组成；

所述的左L型杠杆本体4-2由左L型杠杆短臂4-2-1、左L型杠杆肘关节4-2-2与左L型杠杆长臂4-2-3组成；

所述的左L型杠杆短臂4-2-1为圆柱形等横截面的直杆结构件；左L型杠杆短臂4-2-1顶端面设置成凹形圆柱面，凹形圆柱面的曲率半径与左L型杠杆肘关节4-2-2的外圆柱面的曲率半径相等；左L型杠杆短臂4-2-1底端设置成对称的叉形件，叉形件的两个叉臂结构相同，两个叉臂上设置有直径相等的回转轴线共线的用于安装左滚动轴承4-1的通孔。

所述的左L型杠杆肘关节4-2-2为圆环体结构件，圆环体形的左L型杠杆肘关节4-2-2套装在左导向套部件3中的连接轴3-8上，两者之间为转动连接，可以绕连接轴3-8旋转；

所述的左L型杠杆长臂4-2-3为圆柱形等横截面的直杆结构件；左L型杠杆长臂4-2-3的左端面设置成凹形圆柱面，凹形圆柱面的曲率半径与左L型杠杆肘关节4-2-2的外圆柱面的曲率半径相等；左L型杠杆长臂4-2-3的右端设置有外螺纹，

左L型杠杆短臂4-2-1的顶端与左L型杠杆长臂4-2-3的左端分别焊接固定在左L型杠杆肘关节4-2-2圆环体的外曲面上，左L型杠杆短臂4-2-1位于左L型杠杆肘关节4-2-2的下面，左L型杠杆长臂4-2-3位于左L型杠杆肘关节4-2-2的右面，左L型杠杆短臂4-2-1与左L型杠杆长臂4-2-3的回转轴线和左L型杠杆肘关节4-2-2的回转轴线相互垂直相交，左L型杠杆短臂4-2-1与左L型杠杆长臂4-2-3的回转轴线处于同一平面上。

所述的左滚动轴承4-1根据尺寸和摩擦特性要求可选用深沟球轴承、滚针轴承或者圆柱滚子轴承。

参阅图7，所述的左L型杠杆长臂连接头4-3由U型叉与圆环接头组成，U型叉由2个结构相同的叉臂与横梁组成，2个结构相同的叉臂的一端设置有直径相等的回转轴线共线的用于安装销轴的通孔，2个结构相同的叉臂的另一端和横梁的两端连成一体，2个结构相同的叉臂相互平行对正并和横梁垂直；圆环接头的一端端面与U型叉中的横梁外端面中心处固定连接，圆环接头的内孔面加工有内螺纹，用于和左L型杠杆长臂4-2-3右端的外螺纹配合连接。

所述的左L型杠杆长臂连接头4-3与左L型杠杆本体4-2中的左L型杠杆长臂4-2-3的右端通过螺纹连接，左滚动轴承4-1通过销轴固定在左L型杠杆本体4-2中的左L型杠杆短臂4-2-1的底端，左滚动轴承4-1可以绕着销轴自由旋转；

参阅图4，所述的右L型杠杆部件6由右滚动轴承6-1，右L型杠杆本体6-2与右L型杠杆长臂连接头6-3组成；

所述的右L型杠杆本体6-2的结构与左L型杠杆本体4-2的结构相同，右L型杠杆本体6-2由右L型杠杆短臂、右L型杠杆肘关节与右L型杠杆长臂组成；右L型杠杆短臂与左L型杠杆短臂4-2-1结构相同，右L型杠杆肘关节与左L型杠杆肘关节4-2-2结构相同，右L型杠杆长臂与左L型杠杆长臂4-2-3结构相同。

参阅图8，右L型杠杆长臂连接头6-3为圆柱体形结构件，右L型杠杆长臂连接头6-3一端的圆柱体的两侧设置有两个相互平行的平面端面，两个相互平行的平面端面相对于右L型杠杆长臂连接头6-3的回转轴线对称平行，即右L型杠杆长臂连接头6-3的一端设置成扁圆柱体，在扁圆柱体的平面端面上设置有回转轴线和平面端面、右L型杠杆长臂连接头6-3回转轴线垂直相交的用于安装销轴的通孔；右L型杠杆长臂连接头6-3另一端的端面上在回转轴线上加工有螺纹孔，右L型杠杆长臂连接头6-3通过螺纹孔和右L型杠杆长臂的螺纹杆端配合连接。

所述的右滚动轴承6-1与左滚动轴承4-1结构尺寸相同，根据尺寸和摩擦特性要求可选用深沟球轴承、滚针轴承或者圆柱滚子轴承。

右L型杠杆长臂连接头6-3与右L型杠杆本体6-2中的右L型杠杆长臂的左端通过螺纹连接，右滚动轴承6-1通过销轴固定在右L型杠杆本体6-2中的右L型杠杆短臂的底端，右滚动轴承6-1可以绕着销轴自由旋转。

参阅图1和图5，所述的左导向套部件3由一号固定套3-1，一号直线轴承3-2，一号轴承挡环3-3，二号直线轴承3-4，二号轴承挡环3-5，二号固定套3-6，三号轴承挡环3-7，连接轴3-8和四号轴承挡环3-9组成；

参阅图9，一号固定套3-1与二号固定套3-6结构相同，均由大圆环体与小圆环体组成，小圆环体与大圆环体长度方向的中心处相贯连成T字形结构件，大圆环体与小圆环体的回转轴线垂直相交，大圆环体与小圆环体内孔不相连通，大圆环体的内孔径和一号直线轴承3-2或二号直线轴承3-4的外径相等，小圆环体的内孔径与连接轴3-8外径相等，大圆环体的长度和一号直线轴承3-2或二号直线轴承3-4上的2个轴承挡环槽的内槽壁之间的距离相等。

参阅图12，一号直线轴承3-2与二号直线轴承3-4结构相同，均采用两端设置有轴承挡环槽的型号为LM10UU的直线轴承，一号直线轴承3-2与二号直线轴承3-4的回转轴线相互平行的安装；

一号固定套3-1套装在一号直线轴承3-2上，一号轴承挡环3-3与四号轴承挡环3-9安装在一号直线轴承3-2两端的轴承挡环槽里，一号轴承挡环3-3与四号轴承挡环3-9里侧端面和一号固定套3-1中大圆环体的两端面接触连接，一号直线轴承3-2通过一号轴承挡环3-3与四号轴承挡环3-9实现轴向定位；

二号固定套3-6套装在二号直线轴承3-4上，二号轴承挡环3-5与三号轴承挡环3-7安装在二号直线轴承3-4两端的轴承挡环槽里，二号轴承挡环3-5与三号轴承挡环3-7里侧端面和二号固定套3-6中大圆环体的两端面接触连接，二号固定套3-6通过二号轴承挡环3-5与三号轴承挡环3-7实现轴向定位；连接轴3-8的一端固定安装在一号固定套3-1的小连接孔内，连接轴3-8的另一端固定安装在二号固定套3-6的小连接孔内，将一号固定套3-1与二号固定套3-6固定连接在一起，连接轴3-8的回转轴线和一号直线轴承3-2与二号直线轴承3-4的回转轴线垂直相交；

所述的右导向套部件7与左导向套部件3结构相同，分别套装在一号导向杆1与二号导向杆2的两端上，右导向套部件7与左导向套部件3在一号导向杆1与二号导向杆2上呈左右对称地布置；左L型杠杆部件4的左L型杠杆肘关节4-2-2套装在左导向套部件3中的左连接轴3-8上，可以绕着左连接轴3-8旋转；右L型杠杆部件6的右L型杠杆肘关节套装在右导向套部件7中的右连接轴上，也可以绕着右连接轴旋转。

参阅图1和图13，所述的片弹簧9为矩形板类结构件，片弹簧9通过其中间部分固定安装在弹簧固定座11上，两端处于悬臂状态，在初始状态片弹簧9未发生弯曲；在工作过程中，左L型杠杆部件4的左滚动轴承4-1和右L型杠杆部件6的右滚动轴承6-1分别与片弹簧9的上表面滑动接触，迫使片弹簧9发生弯曲变形；施加特定的负载，使隔振器处于平衡位置，片弹簧9弯曲使负刚度机构的刚度值达到最小，整个准零刚度隔振器的刚度值近似为零。

参阅图1和图10，所述的弹簧固定座11为矩形平板类结构件，弹簧固定座11由矩形的固定座主体与矩形的固定板组成，固定座主体的底端与固定板的纵向对称线处固定连接，固定座主体与固定板相垂直，固定座主体宽度与固定板的长度相等，固定板上均匀地设置有2排安装螺栓的螺栓通孔；固定座主体顶部的中间处设置有一个用以固定片弹簧9的凹槽，凹槽的宽度与片弹簧9的宽度相等，凹槽的深度与片弹簧9的厚度相等，凹槽两侧设置有螺纹孔，螺纹孔用于采用螺栓连接固定弹簧压板10。

所述的弹簧压板10为矩形平板状结构件，弹簧压板的长度方向的两侧加工有两个通孔，通孔的位置和尺寸与弹簧固定座11的固定座主体顶部的两个螺纹孔对应；

参阅图1和图11，所述的左固定板13为由2个矩形板组成的板类结构件，即由固定主板与固定底板组成，固定主板的宽度与固定底板的长度相等，固定主板的上端的两侧设置有用于安装一号法兰固定盘22和二号法兰固定盘23的两组通孔，每组通孔的对称中心到左固定板13底端面的距离相等，该距离大于弹簧固定座11顶端面到其底端面的距离；固定底板上设置有两行螺栓通孔，固定底板上的两行螺栓通孔对称地分置在其纵向对称线的两侧，固定主板底端与固定底板的纵向对称线处垂直固定连接，左固定板13安装在基础板12的左侧，右固定板8与左固定板13结构相同，右固定板8与左固定板13对称地固定在基础板12的两侧；

参阅图1和图14，所述的一号法兰固定盘22由一个圆环体形结构件和一个圆盘形结构件组成，圆环体形结构件的底部端面与圆盘形结构件的上端面固定连接，圆环体形结构件的回转中心线与圆盘形结构件的回转中心线共线，圆环体形结构件的内环直径与圆盘形结构件中心孔的直径和一号导向杆1的直径相等，圆环体形结构件的外环直径小于圆盘形结构件的外径，圆盘形结构件绕着回转中心均布有四个通孔，用于和左固定板13的顶端连接，所述的二号法兰固定盘23、三号法兰固定盘24、四号法兰固定盘25结构大小均与一号法兰固定盘22相同。

参阅图15和图16，所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器的工作原理为：

初始状态，所述的左L型杠杆部件4、右L型杠杆部件6短臂端的左滚动轴承4-1、右滚动轴承6-1分别和片弹簧9的上表面接触，片弹簧9未发生变形；

当被隔振设备安装到支撑平台17上后，由于重力作用，支撑平台17下移，迫使左L型杠杆部件4的左L型杠杆肘关节4-2-2沿着一号导向杆1和二号导向杆2向左移动，并使左L型杠杆部件4通过其左L型杠杆肘关节4-2-2绕左导向套部件3中的连接轴3-8旋转，与此同时，右L型杠杆部件6的右L型杠杆肘关节沿着一号导向杆1和二号导向杆2向右移动，并使右L型杠杆部件6通过其右L型杠杆肘关节绕着右导向套部件7中的连接轴旋转，片弹簧9被迫发生弯曲变形。

片弹簧9发生初始弯曲时，阻碍左L型杠杆部件4的左移和旋转运动，同时阻碍右L型杠杆部件6的右移和旋转运动，为准零刚度隔振器提供竖直方向向上的支撑力；随着片弹簧9弯曲变形的逐渐增大，负刚度机构提供的向上支撑力先变大后变小，最后变为负值；在负刚度机构提供的向上支撑力随着位移的增大逐渐变小的过程中，其动刚度为负值，当支撑平台17下移到使公式2中的准零刚度隔振器负刚度机构的无量纲刚度k_n达到最小值时的位置，此时负刚度机构提供的动刚度值为负且达到最小值，与正刚度机构的刚度相加，通过选择合适的正刚度弹簧刚度参数使整个准零刚度隔振器的动刚度达到零，此时系统处于零刚度点，即如图2所示的平衡位置，准零刚度隔振器处于此位置时，公式(3)中的k_q为零。当准零刚度隔振器的位置偏离零刚度点，负刚度机构的动刚度值有所增加，其与正刚度机构的刚度相加，使整个准零刚度隔振器的刚度值始终大于等于零。

在特定参数条件下，准零刚度隔振器的无量纲储存力与无量纲位移的关系曲线如图16所示，关系式为

式中：

为准零刚度隔振器的无量纲位移，

为准零刚度隔振器的负载平台17相对于基础板12的零点发生变化的位移，

为准零刚度隔振器的负载平台17相对于基础板12的位移，

l₁为左L型杠杆部件4中的左L型杠杆肘关节4-2-2的轴心与左滚动轴承4-1的轴心之间的距离，简称左L型杠杆部件4中的小臂长度，

l₂为左L型杠杆部件4中的左L型杠杆肘关节4-2-2的轴心与左L型杠杆长臂连接头4-3中的U型叉中的通孔圆心之间的距离，简称左L型杠杆部件4中的大臂长度，d为片弹簧9与一号导向杆1和二号导向杆2构成平面之间的距离，

为准零刚度隔振器自身变形产生的无量纲储存力,

F_q为准零刚度隔振器自身变形产生的储存力，

为片弹簧9发生特定变形的临界力，

I为片弹簧9的横截面绕中性轴的惯性矩，

E为片弹簧9所采用材料的弹性模量，

为左螺旋弹簧14和右螺旋弹簧21的刚度之和与片弹簧9的等效刚度的比值，

k为左螺旋弹簧14和右螺旋弹簧21的刚度之和，

为片弹簧9的等效刚度，

为片弹簧9与一号导向杆1和二号导向杆2构成平面之间的无量纲距离，

为左L型杠杆部件4中的大臂长度与小臂长度之比，

为片弹簧9弯曲变形导致的片弹簧9剩余未变形平面与水平面的夹角,准零刚度隔振器中的负刚度机构的无量纲刚度与无量纲位移的关系为

式中：

为准零刚度隔振器中的负刚度机构的无量纲刚度，

k_n为准零刚度隔振器中的负刚度机构的刚度，

为中间变量，

为片弹簧9弯曲变形导致的片弹簧9剩余未变形平面与水平面的夹角关于无量纲位移的导数,

准零刚度隔振器的无量纲刚度与无量纲位移的关系曲线如图15所示，关系式为

式中：

为准零刚度隔振器总的无量纲刚度，

k_q为准零刚度隔振器总的刚度。

图14和图15中，u＝0代表支撑平台17下移到使左L型杠杆部件4的左L型杠杆长臂4-2-3的轴线和右L型杠杆部件6的右L型杠杆长臂的轴线分别与基础板12的表面平行的位置，u的正方向设置为竖直向下。

Claims (10)

1.一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器由基础板(12)、负载平台(17)、正刚度机构与负刚度机构组成；

所述的正刚度机构包括左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构；

所述的负刚度机构包括右固定板(8)、弹簧固定座(11)、左固定板(13)与支撑杆(18)；

所述的基础板(12)水平地放置，负载平台(17)水平放置并位于基础板(12)的正上方；左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构垂直地布置在基础板(12)与负载平台(17)之间并位于基础板(12)与负载平台(17)的左右两端，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构的顶端和负载平台(17)的底面固定连接，左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构的底端和基础板(12)的上表面固定连接；负刚度机构的底端通过右固定板(8)、弹簧固定座(11)、左固定板(13)安装在左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构之间的基础板(12)上，负刚度机构的顶端通过支撑杆(18)和负载平台(17)底面的中心处固定连接。

2.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的负刚度机构还包括一号导向杆(1)、二号导向杆(2)、左导向套部件(3)、左L型杠杆部件(4)、支撑杆连接头(5)、右L型杠杆部件(6)、右导向套部件(7)、片弹簧(9)与弹簧压板(10)；

弹簧固定座(11)安装在基础板(12)中心处，左固定板(13)与右固定板(8)平行对称地安装在弹簧固定座(11)的左右两侧，左固定板(13)与右固定板(8)位于左弹簧阻尼导向机构与右弹簧阻尼导向机构中的左螺旋弹簧(14)与右螺旋弹簧(21)的里侧；片弹簧(9)左右对称地安装在弹簧固定座(11)顶端的凹槽内并采用弹簧压板(10)与螺栓固定；一号导向杆(1)、二号导向杆(2)相互平行地安装在左固定板(13)与右固定板(8)的上端，一号导向杆(1)、二号导向杆(2)到基础板(12)上表面的距离相等；左导向套部件(3)与右导向套部件(7)套装在一号导向杆(1)、二号导向杆(2)上，左导向套部件(3)与右导向套部件(7)和一号导向杆(1)、二号导向杆(2)之间为滑动连接；左L型杠杆部件(4)与右L型杠杆部件(6)通过其中间处套装在左导向套部件(3)与右导向套部件(7)上，左L型杠杆部件(4)与右L型杠杆部件(6)和左导向套部件(3)与右导向套部件(7)之间为转动连接，左L型杠杆部件(4)与右L型杠杆部件(6)顶端和支撑杆连接头(5)采用销轴转动连接，支撑杆连接头(5)通过支撑杆(18)和负载平台(17)底端面的中心处固定连接；左L型杠杆部件(4)与右L型杠杆部件(6)底端和片弹簧(9)的上表面接触连接。

3.按照权利要求2所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的左L型杠杆部件(4)由左滚动轴承(4-1)、左L型杠杆本体(4-2)与左L型杠杆长臂连接头(4-3)组成；

所述的左L型杠杆本体(4-2)由左L型杠杆短臂(4-2-1)、左L型杠杆肘关节(4-2-2)与左L型杠杆长臂(4-2-3)组成；

所述的左L型杠杆短臂(4-2-1)的顶端与左L型杠杆长臂(4-2-3)的左端分别焊接固定在左L型杠杆肘关节(4-2-2)的外圆柱面上，左L型杠杆短臂(4-2-1)位于左L型杠杆肘关节(4-2-2)的下面，左L型杠杆长臂(4-2-3)位于左L型杠杆肘关节(4-2-2)的右面，左L型杠杆短臂(4-2-1)与左L型杠杆长臂(4-2-3)的回转轴线和左L型杠杆肘关节(4-2-2)的回转轴线相互垂直相交，左L型杠杆短臂(4-2-1)与左L型杠杆长臂(4-2-3)的回转轴线垂直相交在同一平面上；

所述的左L型杠杆长臂连接头(4-3)与左L型杠杆长臂(4-2-3)的右端通过螺纹连接，左滚动轴承(4-1)通过销轴固定在左L型杠杆短臂(4-2-1)的底端，左滚动轴承(4-1)的内轴承环与销轴之间为过盈配合。

4.按照权利要求2所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的左导向套部件(3)由一号固定套(3-1)，一号直线轴承(3-2)，一号轴承挡环(3-3)，二号直线轴承(3-4)，二号轴承挡环(3-5)，二号固定套(3-6)，三号轴承挡环(3-7)，连接轴(3-8)与四号轴承挡环(3-9)组成；

所述的一号固定套(3-1)套装在一号直线轴承(3-2)上，一号轴承挡环(3-3)与四号轴承挡环(3-9)安装在一号直线轴承(3-2)两端的轴承挡环槽里，一号轴承挡环(3-3)与四号轴承挡环(3-9)里侧端面和一号固定套(3-1)中大圆环体的两端面接触连接；二号固定套(3-6)套装在二号直线轴承(3-4)上，二号轴承挡环(3-5)与三号轴承挡环(3-7)安装在二号直线轴承(3-4)两端的轴承挡环槽里，二号轴承挡环(3-5)与三号轴承挡环(3-7)里侧端面和二号固定套(3-6)中大圆环体的两端面接触连接；连接轴(3-8)的一端固定安装在一号固定套(3-1)上的小连接孔内，连接轴(3-8)的另一端固定安装在二号固定套(3-6)上的小连接孔内，连接轴(3-8)的回转轴线和一号直线轴承(3-2)与二号直线轴承(3-4)的回转轴线垂直相交。

5.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的左弹簧阻尼导向机构包括左螺旋弹簧(14)、左导柱(15)与左导套(16)；

所述的左螺旋弹簧(14)为正刚度弹簧，左螺旋弹簧(14)与右弹簧阻尼导向机构中的右螺旋弹簧(21)的刚度值之和等于或大于负刚度机构的最小负刚度的绝对值，左螺旋弹簧(14)安装固定在相互平行对正的基础板(12)与负载平台(17)之间，左螺旋弹簧(14)垂直于基础板(12)与负载平台(17)，布置在基础板(12)与负载平台(17)的左端，左螺旋弹簧(14)的顶端和负载平台(17)左端的凹槽固定连接，左螺旋弹簧(14)的底端和基础板(12)左端的凹槽固定连接；

所述的左导套(16)套装在左导柱(15)上，两者之间为滑动连接，套装在一起的左导套(16)与左导柱(15)安装在左螺旋弹簧(14)内，左导套(16)与左导柱(15)的回转轴线和左螺旋弹簧(14)的回转轴线共线，左导套(16)的顶端与负载平台(17)左端固定连接，左导柱(15)的底端与基础板(12)左端固定连接。

6.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的右弹簧阻尼导向机构包括右螺旋弹簧(21)、右导柱(20)和右导套(19)；

所述的右螺旋弹簧(21)为正刚度弹簧，右螺旋弹簧(21)与左弹簧阻尼导向机构中的左螺旋弹簧(14)的刚度值之和等于或大于负刚度机构的最小负刚度的绝对值，右螺旋弹簧(21)与左螺旋弹簧(14)结构相同，右螺旋弹簧(21)安装固定在相互平行对正的基础板(12)与负载平台(17)之间，右螺旋弹簧(21)垂直于基础板(12)与负载平台(17)，并和左螺旋弹簧(14)相对称地布置在基础板(12)与负载平台(17)的右端，右螺旋弹簧(21)的顶端和负载平台(17)右端的凹槽固定连接，右螺旋弹簧(21)的底端和基础板(12)右端的凹槽固定连接；

所述的右导柱(20)与左弹簧阻尼导向机构中的左导柱(15)的结构相同，右导柱(20)安装在位于基础板(12)与负载平台(17)右端的右螺旋弹簧(21)内，右导柱(20)的底端与基础板(12)右端固定连接；右导套(19)与左弹簧阻尼导向机构中的左导套(16)的结构相同，右导套(19)安装在位于基础板(12)与负载平台(17)右端的右螺旋弹簧(21)内并套装在右导柱(20)上，两者之间为滑动连接，右导套(19)与右导柱(20)的回转轴线和右螺旋弹簧(21)的回转轴线共线，右导套(19)的顶端与负载平台(17)右端固定连接。

7.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的弹簧固定座(11)为矩形平板类结构件，弹簧固定座(11)由矩形的固定座主体与底部的矩形的固定底座组成，固定座主体的底端与固定底座的纵向对称线处固定连接，固定座主体与固定底座相垂直，固定座主体宽度与固定底座的长度相等，固定底座上均匀地设置有2排安装螺栓的螺栓通孔；固定座主体顶部的中间处设置有一个用以固定片弹簧(9)的凹槽，凹槽的宽度与片弹簧(9)的宽度相等，凹槽的深度与片弹簧(9)的厚度相等，凹槽两侧设置有螺纹孔，螺纹孔用于采用螺栓固定连接弹簧压板(10)。

8.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的左固定板(13)为由2个矩形板组成的板类结构件，左固定板(13)由固定主板与固定底板组成，固定主板的宽度与固定底板的长度相等，固定主板的上端的两侧对称地设置有用于安装一号导向杆(1)、二号导向杆(2)的两组通孔，每组通孔的对称中心到左固定板(13)底端面的距离相等，该距离大于弹簧固定座(11)顶端面到其底端面的距离；固定底板上设置有两行螺栓通孔，固定底板上的两行螺栓通孔对称地分置在其纵向对称线的两侧，固定主板的底端与固定底板的纵向对称线处垂直固定连接，左固定板(13)与右固定板(8)结构相同，左固定板(13)与右固定板(8)对称地分置在弹簧固定座(11)的左右两侧。

9.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的基础板(12)为长方形平板结构件，基础板(12)的左右两侧分别设置有一个阶梯孔和四个螺纹孔，左侧的一个用于安装左导柱(15)的阶梯孔和四个用于安装左固定板(13)的螺纹孔分别与右侧的一个用于安装右导柱(20)的阶梯孔和四个用于安装右固定板(8)的螺纹孔是关于基础板(12)的纵横对称中心线呈对称布置，左右两个阶梯孔的中心距大于左侧四个螺纹孔与右侧四个螺纹孔的间距，基础板(12)上的左右两阶梯孔的周围分别设置有圆环形的用于安装左螺旋弹簧(14)和右螺旋弹簧(21)底端的凹槽，并且左右两个阶梯孔的回转轴线分别和左右两个圆环形的凹槽的回转轴线共线，基础板(12)的中间位置设置有四个用于安装弹簧固定座(11)的螺纹孔，用以安装弹簧固定座(11)的四个螺纹孔相对于基础板(12)的纵横对称中心线呈对称布置。

10.按照权利要求1所述的一种悬臂片弹簧准零刚度隔振器,其特征在于，所述的负载平台(17)为长方形平板结构件，负载平台的左右两侧分别加工有一个阶梯孔，左侧的用于安装左导套(16)的阶梯孔与右侧的用于安装右导套(19)阶梯孔是关于负载平台(17)的纵横对称中心线呈对称布置，负载平台(17)左侧的阶梯孔与基础板(12)左侧的阶梯孔位置对正，负载平台(17)右侧的阶梯孔与基础板(12)右侧的阶梯孔位置对正，负载平台(17)的下表面并且在两阶梯孔的周围分别设置有圆环形的用以安装左螺旋弹簧(14)和右螺旋弹簧(21)的顶端凹槽，负载平台(17)的中间位置均匀地布置有四个用于固定支撑杆(18)的螺纹孔。

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