CN113294471B - 一种基于准零刚度的多方向隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于准零刚度的多方向隔振器，其基座和载物台座之间连接着竖直结构和负刚度杆；载物台的侧边连接着水平结构。负刚度杆由滚珠和球槽提供沿杆方向的负刚度，三个沿杆的负刚度合成为竖直方向的负刚度。竖直结构的第一缓冲件形成正刚度。负刚度杆合成的竖直方向负刚度与竖直结构的第一缓冲件形成的正刚度进行并联，从而在竖直方向形成准零刚度系统。凸轮和滚轮连接在水平方向产生负刚度；载物台侧边连接着水平结构，水平结构的正刚度和凸轮滚轮形成的负刚度并联，从而在水平方向实现准零刚度系统。本发明在水平和竖直方向都能形成准零刚度，具备高静态刚度和低动态刚度和良好的低频隔振性能，能广泛用在设备保护和研究实验中。

Description

一种基于准零刚度的多方向隔振器

技术领域

本发明涉及隔振器技术领域，特别是涉及一种基于准零刚度的多方向隔振器。

背景技术

振动是各工程领域中的常见现象，且在多数情况下会对装置产生不良影响。尤其是在高精密仪器使用中，由于高精密仪器对环境振动极为敏感，即便是微小扰动也会对其工作精度造成严重干扰。这对高精密仪器适应复杂振动环境的能力提出了更苛刻的要求。故利用隔振技术改善结构或装置的动力学环境，提高其工作可靠性至关重要。

根据激励源的不同，隔振系统可分为主动隔振、半主动隔振、被动隔振。虽然采用主动隔振和半主动隔振可以有效隔离低频振动，但是这两者都需要外界提供能量，会带来结构、成本、污染等许多方面的问题。

被动隔振系统根据特性的不同可以分为线性隔振和非线性隔振。对于线性隔振而言，只有当载荷频率大于其固有频率的√2倍时，隔振系统才能发挥作用。如果要降低起始隔振频率，提高隔振频段，必须减小固有频率，这就会导致隔振系统刚度减小，进而影响其承载能力。此外工程运用中激励源都是来自于多方向的。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种基于准零刚度的多方向隔振器，设计了一种非线性被动隔振系统，具有静态高刚度、动态低刚度的非线性刚度特性，同时能实现多方向隔振，可同时满足静态支撑和动态低频隔振的需求。

特别地，本发明提供了一种基于准零刚度的多方向隔振器，包括：

基座；

载物台，用于放置物品的台面，所述载物台的侧边连接着水平结构，在所述载物台和所述基座之间连接着竖直结构和至少一个负刚度杆；

竖直结构，用于支撑所述载物台，包括凸轮、滚轮和在竖直方向给所述滚轮提供竖直位移量的第一缓冲件，以使得所述凸轮和所述滚轮保持接触；

水平结构，包括水平杆和给所述水平杆提供水平位移量的第二缓冲件，以使得所述凸轮和所述滚轮的接触点或者接触面位于所述载物台的中心；

负刚度杆，其与所述载物台呈斜交，包括球形结构和穿过所述球形结构的细长杆，所述球形结构和所述细长杆在沿负刚度杆方向构成负刚度；

其中，所述竖直结构的凸轮滚轮结构与所述水平结构实现水平方向的准零刚度系统，所述竖直结构的第一缓冲件与所述负刚度杆实现竖直方向的准零刚度系统。

优选的，所述球形结构包括：

球槽，其设置有穿过球体中心的通孔，所述细长杆穿过所述通孔，所述通孔具有两个孔口，所述球槽的表面设置有多条连接所述两个孔口的弧形路径；

多个滚珠，所述滚珠与所述弧形路径相配合，且一个滚珠对应一条弧形路径。

优选的，所述负刚度杆还包括给所述细长杆提供沿着其杆身方向位移量的第三缓冲件，以使得所述滚珠与所述弧形路径对准。

优选的，所述球形结构还包括给所述滚珠提供垂直于所述细长杆方向位移量的第四缓冲件，一个滚珠对应一个第四缓冲件。

优选的，所述载物台的底面中心连接有凸轮，所述凸轮的弧形面朝下且设置有凹槽，所述滚轮的滚轴平行于所述载物台，所述滚轮与所述凹槽相切。

优选的，所述基座上设置有竖立的滑槽，所述滑槽具有沿着竖直方向的滑道，所述滑道与所述水平结构连接。

优选的，在所述载物台和所述基座之间连接着三个负刚度杆，每个负刚度杆与所述基座呈斜交；所述载物台的两侧各连接着一个水平结构，两个水平结构的位置对称。

优选的，第一旋转螺纹杆通过螺纹孔连接第一滑动挡板，所述第一滑动挡板连接所述第二缓冲件的一端，所述第二缓冲件的另一端连接所述水平杆的一端，所述水平杆的另一端连接所述载物台。

优选的，下套筒的一端固定在所述基座上，所述下套筒的另一端连接球槽套；所述下套筒内设置有所述第三缓冲件、第二滑动挡板和第二旋转螺纹杆，所述球槽套内设置有所述球形结构；所述细长杆的一端穿过所述球形结构并进入所述下套筒内，所述细长杆的一端与所述第三缓冲件的一端连接，所述第三缓冲件的另一端与所述第二滑动挡板连接，所述第二滑动挡板与所述第二旋转螺纹杆连接，所述第二旋转螺纹杆的螺帽露在所述下套筒的外部；所述细长杆的另一端固定在所述载物台的底部。

优选的，所述下套筒与所述基座连接的端部为球体，所述细长杆与所述载物台连接的端部为球体。

本发明基于准零刚度的多方向隔振器，由于当多方向激励从基座传递时，多方向的激励能够分解合成为水平和竖直方向的激励。本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、本发明的负刚度杆结构和竖直结构的第一缓冲件的正刚度并联在竖直方向形成了准零刚度系统，同时滚轮凸轮结构形成的负刚度和水平正刚度结构并联在水平方向形成了准零刚度系统，从而实现了多方位的隔振。

2、负刚度杆结构和水平结构都设有旋转螺纹杆，能够实现对系统的调零和校准。

3、当载物台所放物体质量不同时，水平正刚度结构的套筒会在滑槽的滑道中平滑移动到平衡位置。

4、本发明安装方便，成本较低，具有静态高刚度、动态低刚度的非线性刚度特性，同时能实现多方向隔振，可同时满足静态支撑和动态低频隔振的需求。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明提出的一种基于准零刚度的多方向隔振器主视图；

图2为本发明提出的一种基于准零刚度的多方向隔振器轴侧视图；

图3为本发明图1所示的A-A负刚度杆的全剖视图；

图4为本发明图1所示的B-B水平结构的全剖视图；

图5为本发明图1所示的C-C竖直结构的全剖视图；

图6为本发明的球形结构示意图。

图中各符号所表示的含义如下：

1-滑槽、2-载物台、3-凸轮、4-第一固定块、5-圆柱支撑台、6-第二固定块、7-基座、8-水平杆、9-直线轴承、10-套筒、11-弹簧卡环、12-第二缓冲件、13-第一滑动挡板、14-第一旋转螺纹杆、15-细长杆、16-上端盖、17-直线轴承、18-下端盖、19-上套筒、20-球槽、21-下套筒、22-第二滑动挡板、23-第二旋转螺纹杆、24-第三缓冲件、25-弹簧卡环、26-滚珠、27-第四缓冲件、28-滚珠固定架、29-套筒、30-球槽套、31-滚轮、32-滚轮支架、33-滚珠轴承、34-轴承挡圈、35-滚轮杆、36-支撑杆、37-上端盖、38-直线轴承、39-下端盖、40-第一缓冲件、41-弹簧卡环、42-套筒。

具体实施方式

本发明设计了一种基于准零刚度的多方向隔振器，具体结构是由基座和载物台作为上下载体，基座和载物台之间连接有负刚度杆和竖直结构。负刚度杆的负刚度合成为竖直方向的负刚度，竖直方向的负刚度与竖直结构的第一缓冲件的正刚度并联形成准零刚度系统。载物台两边连接有水平结构，水平结构的正刚度与滚轮凸轮结构形成的负刚度并联，从而实现水平方向的准零刚度系统。多方向的激励源可以分解到水平和竖直，而本发明能够在水平和竖直方向形成准零刚度系统，因此本发明既具有静态高刚度、动态低刚度的非线性刚度特性，又能实现多方向的隔振。

如图1和图2所示，基座7作为底座，可放置于桌面或者任意平面上。载物台2作为放置物品的台面，用于承载高精密仪器或者任意需要减振避震的仪器物品。在基座7和载物台2之间连接着竖直结构和至少一个负刚度杆。在图示的实施例中，载物台2的中心连接着一个竖直结构，围绕中心分别连接着三个负刚度杆，每个负刚度杆与载物台2呈斜交。载物台2的两个侧边分别连接着一个水平结构，两个水平结构的位置对称。基座7上设置有两个竖立的滑槽1。滑槽1具有沿着竖直方向的滑道。一个滑槽1对应一个水平结构，其中，滑道与水平结构连接，从而限制水平结构只能在滑道内竖直上下移动，而不会产生偏移。

如图2和图5所示，竖直结构用于支撑载物台2，主要包括凸轮3、滚轮31、第一缓冲件40、套筒42和圆柱支撑台5。圆柱支撑台5设置在基座7上，套筒42固定在圆柱支撑台5上。载物台2的底面中心连接有凸轮3，凸轮3的弧形面朝下且设置有凹槽。

滚轮杆35的上端连接有滚轮支架32，滚轮支架32中间连接有轴承挡圈34，轴承挡圈34中间连接有滚珠轴承33，滚珠轴承33平行于载物台2。滚珠轴承33连接有滚轮31。滚轮31能够与凸轮3保持接触。

滚轮杆35的下端连接有支撑杆36，支撑杆36连接着直线轴承38。直线轴承38的上端连接着上端盖37，下端连接着下端盖39。支撑杆36的下端连接有弹簧卡环41，弹簧卡环41下端连接着第一缓冲件40，在本实施例中，第一缓冲件40为弹簧。弹簧的下端与套筒42连接。因此，第一缓冲件40能够保证滚轮31在竖直方向始终与凸轮3保持接触，并保持中心相切。

如图1和图4所示，两个水平结构对称设置在载物台2的两侧，主要包括水平杆8和第二缓冲件12。在本实施例中，第二缓冲件12为弹簧。水平杆8连接着直线轴承9，直线轴承9与套筒10连接。水平杆8与弹簧卡环11连接。弹簧卡环11的下端与第二缓冲件12连接。第二缓冲件12的下端与第一滑动挡板13连接。第一滑动挡板13下端有凹槽，第二缓冲件12与第一滑动挡板13的凹槽连接。第一滑动挡板13的下端与第一旋转螺纹杆14连接。转动第一旋转螺纹杆14能够推动第一滑动挡板13，从而改变第一缓冲件40的形变量，从而实现对水平准零刚度系统的调零和校准，并保证凸轮3和滚轮31在中心相切。

如图1和图3所示，负刚度杆与载物台2呈斜交，在本实施例中，围绕载物台2底部的中心设置有三个第一固定块4，对应的，基座7上也设置有三个第二固定块6，在载物台2和基座7之间连接着三个负刚度杆，每个负刚度杆与基座7呈斜交。在优选的实施例中，每个负刚度杆与基座7形成的角度为48°～57°，在此角度范围内隔振器力位移曲线曲率最小。负刚度杆与第一固定块4和第二固定块6的连接端部均为球体，从而实现更柔和的避震隔振调节。负刚度杆主要包括细长杆15和球形结构。在本实施例中，第三缓冲件24为弹簧。

下套筒21的一端固定在基座7上，下套筒21的另一端连接球槽套30。下套筒21内设置有第三缓冲件24、第二滑动挡板22和第二旋转螺纹杆23。球槽套30内设置有球形结构。

细长杆15的一端首先与直线轴承17连接，直线轴承17与上端盖16和下端盖18连接。直线轴承17外设置有上套筒19。上套筒的一端连接着球槽套30。然后细长杆15的一端穿过球形结构并进入下套筒21内。

细长杆15的一端与弹簧卡环25连接，并与第三缓冲件24的一端连接。第三缓冲件24的另一端与第二滑动挡板22连接。第二旋转螺纹杆23穿过下套筒21与第二滑动挡板22连接，第二旋转螺纹杆23的螺帽露在下套筒21的外部。细长杆15的另一端固定在载物台2的底部。转动第二旋转螺纹杆23实现对第三缓冲件24的形变量的控制，从而实现对负刚度杆的滚珠26和球槽20的调零和校准。而且，针对不同质量的物体，可以调整第二旋转螺纹杆23实现滚珠26和球槽20的对准，从而实现调零。

如图3和图6所示，球形结构主要包括球槽20和多个滚珠26。球槽20设置有穿过球体中心的通孔，细长杆15能够穿过通孔。通孔具有两个孔口，在球槽20的表面设置有多条连接两个孔口的弧形路径。滚珠26与滚珠固定架28连接，滚珠固定架28底部与第四缓冲件27连接。在本实施例中，第四缓冲件27为弹簧，一个滚珠26对应一个第四缓冲件27。第四缓冲件27能够给滚珠26提供垂直于细长杆15方向的位移量。滚珠固定架28外部与套筒29连接。滚珠26能够与弧形路径相配合，且一个滚珠26对应一条弧形路径。球形结构能够提供沿负刚度杆方向的负刚度，从而合成竖直方向的负刚度。

综上，本发明基于准零刚度的多方向隔振器，由于当多方向激励从基座传递时，多方向的激励能够分解合成为水平和竖直方向的激励。竖直结构的凸轮滚轮结构与水平结构实现水平方向的准零刚度系统，竖直结构的第一缓冲件与负刚度杆实现竖直方向的准零刚度系统。本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、本发明的负刚度杆结构和竖直结构的第一缓冲件的正刚度并联在竖直方向形成了准零刚度系统，同时滚轮凸轮结构形成的负刚度和水平正刚度结构并联在水平方向形成了准零刚度系统，从而实现了多方位的隔振。

2、负刚度杆结构和水平结构都设有旋转螺纹杆，能够实现对系统的调零和校准。

3、当载物台所放物体质量不同时，水平正刚度结构的套筒会在滑槽的滑道中平滑移动到平衡位置。

4、本发明安装方便，成本较低，具有静态高刚度、动态低刚度的非线性刚度特性，同时能实现多方向隔振，可同时满足静态支撑和动态低频隔振的需求。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于准零刚度的多方向隔振器，其特征在于，包括：

基座；

载物台，用于放置物品的台面，所述载物台的侧边连接着水平结构，在所述载物台和所述基座之间连接着竖直结构和至少一个负刚度杆；

竖直结构，用于支撑所述载物台，包括凸轮、滚轮和在竖直方向给所述滚轮提供竖直位移量的第一缓冲件，以使得所述凸轮和所述滚轮保持接触；

水平结构，包括水平杆和给所述水平杆提供水平位移量的第二缓冲件，以使得所述凸轮和所述滚轮的接触点或者接触面位于所述载物台的中心；

负刚度杆，其与所述载物台呈斜交，包括球形结构和穿过所述球形结构的细长杆，所述球形结构和所述细长杆在沿负刚度杆方向构成负刚度；

其中，所述竖直结构的凸轮滚轮结构与所述水平结构实现水平方向的准零刚度系统，所述竖直结构的第一缓冲件与所述负刚度杆实现竖直方向的准零刚度系统。

2.根据权利要求1所述的多方向隔振器，其特征在于，所述球形结构包括：

球槽，其设置有穿过球体中心的通孔，所述细长杆穿过所述通孔，所述通孔具有两个孔口，所述球槽的表面设置有多条连接所述两个孔口的弧形路径；

多个滚珠，所述滚珠与所述弧形路径相配合，且一个滚珠对应一条弧形路径。

3.根据权利要求2所述的多方向隔振器，其特征在于，所述负刚度杆还包括给所述细长杆提供沿着其杆身方向位移量的第三缓冲件，以使得所述滚珠与所述弧形路径对准。

4.根据权利要求2或3所述的多方向隔振器，其特征在于，所述球形结构还包括给所述滚珠提供垂直于所述细长杆方向位移量的第四缓冲件，一个滚珠对应一个第四缓冲件。

5.根据权利要求1所述的多方向隔振器，其特征在于，所述载物台的底面中心连接有凸轮，所述凸轮的弧形面朝下且设置有凹槽，所述滚轮的滚轴平行于所述载物台，所述滚轮与所述凹槽相切。

6.根据权利要求1所述的多方向隔振器，其特征在于，所述基座上设置有竖立的滑槽，所述滑槽具有沿着竖直方向的滑道，所述滑道与所述水平结构连接。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的多方向隔振器，其特征在于，在所述载物台和所述基座之间连接着三个负刚度杆，每个负刚度杆与所述基座呈斜交；所述载物台的两侧各连接着一个水平结构，两个水平结构的位置对称。

8.根据权利要求1所述的多方向隔振器，其特征在于，第一旋转螺纹杆通过螺纹孔连接第一滑动挡板，所述第一滑动挡板连接所述第二缓冲件的一端，所述第二缓冲件的另一端连接所述水平杆的一端，所述水平杆的另一端连接所述载物台。

9.根据权利要求3所述的多方向隔振器，其特征在于，下套筒的一端固定在所述基座上，所述下套筒的另一端连接球槽套；所述下套筒内设置有所述第三缓冲件、第二滑动挡板和第二旋转螺纹杆，所述球槽套内设置有所述球形结构；所述细长杆的一端穿过所述球形结构并进入所述下套筒内，所述细长杆的一端与所述第三缓冲件的一端连接，所述第三缓冲件的另一端与所述第二滑动挡板连接，所述第二滑动挡板与所述第二旋转螺纹杆连接，所述第二旋转螺纹杆的螺帽露在所述下套筒的外部；所述细长杆的另一端固定在所述载物台的底部。

10.根据权利要求9所述的多方向隔振器，其特征在于，所述下套筒与所述基座连接的端部为球体，所述细长杆与所述载物台连接的端部为球体。

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