CN113503332B - 准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种准零刚度隔振器，包括振动输出部件(1)、传动组件、振动输入部件以及多个弹性部件；所述传动组件的一端可滑动的安装在所述振动输入部件的内部并连接所述弹性部件，传动组件的另一端穿过振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的外部并与振动输出部件(1)连接；振动输入部件的底端为振动输入端，用于与外部振动源相连。本发明利用弹性部件的弯曲大变形实现准零刚度特性，内部无复杂的负刚度结构及机构，结构简单，对制造精度要求低，零刚度区间大，不需要外部供给能量，方便小型化和轻量化。

Description

准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及振动与噪声控制技术领域，具体地，涉及一种准零刚度隔振器。

背景技术

精密隔振装置对于高精度设备如光刻机、超高精度空间相机及航天器平台尤为重要。精密隔振装置能够有效隔离高精度设备中的微振动，阻止振动从振动源向外传递。准零刚度隔振器是一类非线性隔振器，具有高静刚度低动刚度的特性。

目前，准零刚度隔振器常规的设计方法是利用正刚度部件与负刚度部件并联，以实现高静刚度低动刚度的特性。然而，现有的基于正负刚度部件相结合以实现准零刚度隔振器的设计方案，普遍存在三个问题。第一，负刚度部件过于复杂，需要多个零件以特殊的方式连接，并普遍需要借助于外部能量、预紧力才能实现负刚度特性，整体结构难以小型化、轻量化，且总体可靠性较低；第二，现有准零刚度隔振器的零刚度区间普遍过小，导致隔振器在低频范围内只能有效隔离振动量级较低的振动，对于低频大幅度的振动无能为力；第三，正负刚度结合的基本原理对隔振器中正刚度部件及负刚度部件的刚度匹配精度要求过高，而在加工误差及材料误差的影响下，准零刚度部件实际难以真正实现零动刚度特性，导致实际隔振效果大打折扣。

专利文献CN 106402262 B公开了一种采用矩形永磁铁产生负刚度、弹性囊体提供正刚度的刚度可调的磁性准零刚度隔振器；当负载变化时，控制弹性囊体工作位置不变，弹性囊体由于内部压力发生变化导致其正刚度改变，然后通过调节矩形磁铁的间距使负刚度与正刚度匹配。但其依然是采用了正刚度部件与负刚度部件结合的原理，存在设备复杂，需要外部能量等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种准零刚度隔振器。

根据本发明提供的一种准零刚度隔振器，包括振动输出部件、传动组件、振动输入部件以及多个弹性部件；

所述传动组件的一端可滑动的安装在所述振动输入部件的内部并连接所述弹性部件，传动组件的另一端穿过振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的外部并与振动输出部件连接；

振动输入部件的底端为振动输入端，用于与外部振动源相连。

优选地，所述传动组件包括连接杆及内滑块；

所述连接杆的一端与所述振动输出部件紧固相连，所述连接杆的另一端穿过所述振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的内部并与能够在所述振动输入部件内部滑动的内滑块相连。

优选地，所述弹性部件包括弹性薄板、长轴以及短轴；

所述弹性薄板横截面在装配状态下为U形结构，所述弹性薄板U型开口侧的一端与所述长轴紧固连接，所述弹性薄板U型开口侧的另一端与短轴紧固连接；

所述长轴与所述振动输入部件可转动连接，所述短轴可转动的安装在所述内滑块上。

优选地，弹性薄板(5)为由平板弹性弯曲而成的U形结构；

所述弹性薄板(5)自由状态下为平板，弯曲曲率为0；

所述弹性薄板包括第一平板面、弧形面以及第二平板面；

第一平板面通过弧形面连接第二平板面，其中，在装配状态下，第一平板面平行于第二平板面；所述第一平板面远离所述弧形面的端部与所述长轴相连，所述第二平板面远离所述弧形面的端部与所述短轴相连。

优选地，所述第一平板面及第二平板面的弯曲刚度大于弧形面的弯曲刚度。

优选地，所述内滑块的表面具有凹槽，所述短轴卡入所述凹槽内。

优选地，所述弹性薄板材料为碳纤维增强复合材料。

优选地，所述长轴、短轴上开有矩形槽，所述弹性薄板一端插入长轴上的矩形槽中并与所述长轴上的矩形槽粘接，所述弹性薄板另一端插入短轴上的矩形槽中并与所述短轴上的矩形槽粘接。

优选地，所述振动输入部件为外框架，所述外框架包括顶板、底板、第一侧板以及第二侧板；

所述顶板上设置有第一通孔；

所述顶板的内表面和所述底板的内表面上均设置有凹槽；

所述第一侧板以及第二侧板上均设置有滑槽以及通孔；

所述连接杆穿过所述第一通孔与所述内滑块相连；

所述内滑块的两端分别安装在所述第一侧板、第二侧板上的滑槽内，所述内滑块能够沿所述滑槽滑动；

所述长轴卡入所述顶板内表面凹槽内和/或所述底板内表面凹槽内，并且所述长轴的端部可转动的安装在所述通孔上。

优选地，所述内滑块的上表面具有平行布置的第一凹槽以及第二凹槽，所述内滑块的下表面具有平行布置的第三凹槽以及第四凹槽；

所述弹性部件数量为八个，分别命名为第一弹性元件，第二弹性元件、第三弹性元件、第四弹性元件、所述第五弹性元件、第六弹性元件、第七弹性元件、第八弹性元件；所述八个弹性部件的布置如下；所述八个弹性部件的布置如下：

在所述内滑块的上方设置有第一弹性元件，第二弹性元件、第三弹性元件、第四弹性元件；

所述第一弹性元件、第二弹性元件所具有的短轴均卡入所述第一凹槽内；

所述第一弹性元件及所述第二弹性元件所具有的长轴均卡入所述顶板所具有的第五凹槽内，并且第一弹性元件、所述第二弹性元件所具有的长轴的端部分别安装在所述第一侧板、所述第二侧板所具有的第二通孔、第三通孔上；

所述第三弹性元件、第四弹性元件分别与所述第一弹性元件第二弹性元件沿第一平面对称布置；所述第一平面为所述内滑块的纵剖面；

所述第五弹性元件、第六弹性元件、第七弹性元件、第八弹性元件分别与所述第一弹性元件、第二弹性元件、第三弹性元件、第四弹性元件相对于所述内滑块(3)对称。

优选地，能够通过弹性薄板(5)的长度和/或厚度的调整改变隔振器整体的静刚度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用弹性部件的弯曲大变形实现准零刚度特性，内部设置有弹性薄板，无复杂的机构，结构简单，不需要外部供给能量，方便小型化和轻量化。

2、本发明利用弹性薄板在较大的弯曲变形范围内能够保持零刚度特性，隔振器整体具有较大的零刚度区间，可应用于振动量级较大的场合。

3、本发明利用弹性薄板的弯曲大变形实现准零刚度特性，弹性薄板的材料误差及加工误差只会影响其静承载能力，对其在大弯曲状态下的零刚度特性无影响，因此本发明对加工制造的要求降低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体外观示意图；

图2为本发明整体分解示意图；

图3为本发明外观投影示意图；

图4(a)为本发明剖面示意图；

图4(b)为当振动输入部件向下移动时本发明剖面示意图；

图5为本发明中弹性薄板安装前及安装后示意图。

图中示出：

振动输出部件-1

连接杆-2

内滑块-3

外框架-4

弹性薄板-5

长轴-6

短轴-7

第一弹性元件-8

第二弹性元件-9

所述第三弹性元件-10

第四弹性元件-11

所述第五弹性元件-12

第六弹性元件-13

第七弹性元件-14

顶板-16

底板-17

第一侧板-18

第二侧板-19

第二通孔-20

第三通孔-21

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种准零刚度隔振器，包括振动输出部件1、传动组件、振动输入部件以及多个弹性部件。传动组件的一端可滑动的安装在振动输入部件的内部并连接弹性部件，传动组件的另一端穿过振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的外部并与振动输出部件1连接，传动组件用于将振动输入部件与弹性部件的合力传递给振动输出部件1，振动输入部件的底端为振动输入端，用于与外部振动源相连。外部振动源将振动传入准零刚度隔振器后，利用弹性部件弹性恢复力，使准零刚度隔振器具有较强的静承载能力，同时隔振器整体动刚度为0，以达到隔振的效果。

传动组件包括连接杆2及内滑块3。连接杆2的一端与振动输出部件1紧固相连，连接杆2的另一端穿过振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的内部，并与能够在振动输入部件内部滑动的内滑块3相连。在一个优选例中，振动输出部件1与连接杆2上端通过螺纹连接，连接杆2的下端与内滑块3也通过螺纹连接。

弹性部件包括弹性薄板5、长轴6以及短轴7。在一个优选例中，弹性薄板5材料为碳纤维增强复合材料，厚度为0.5mm，长度为100mm，宽度为30mm。

弹性薄板5在装配状态下横截面为U形结构，弹性薄板5的U型开口侧的一端与长轴6紧固连接，弹性薄板5的U型开口侧的另一端与短轴7紧固连接；长轴6与振动输入部件可转动连接。短轴7可转动的安装在内滑块3上。当准零刚度隔振器工作时，弹性薄板5产生形变，会带动长轴6以及短轴7相对振动输入部件转动。如图5所示，在一个优选例中，弹性薄板5在自由状态下，初始弯曲曲率为0，为平直状态的平板制成，长轴6、短轴7上开有矩形槽，弹性薄板5一端插入长轴6上的矩形槽中并与长轴6上的矩形槽粘接，弹性薄板5另一端插入短轴7上的矩形槽中并与短轴7上的矩形槽粘接，再利用外力将弹性薄板弯曲成U形，此时弹性薄板5为由平板弹性弯曲而成的U形结构。

弹性薄板5包括第一平板面、弧形面以及第二平板面；第一平板面通过弧形面连接第二平板面。在装配状态下，第一平板面平行于第二平板面，但在所述准零刚度隔振器工作状态时，由于有外力作用于准零刚度隔振器，因此第一平板面不一定平行于第二平板面。第一平板面远离弧形面的端部与长轴6相连，第二平板面远离弧形面的端部与短轴7相连。弹性薄板5通过长轴6与短轴7在外框架4及内滑块3的约束下呈弯曲大变形状态，弹性薄板5的弹性力通过弹性薄板5端部的长轴6及短轴7传递至外框架及内部滑块上，准零刚度隔振器内部所有弹性薄板的合力保持为竖直方向。准零刚度隔振器利用弹性薄板的弯曲大变形实现准零刚度隔振器的准零刚度特性。

弹性薄板5弯曲成U形后，其弯曲曲率在一定范围内变化时，弹性薄板对外框架和内滑块施加的力不变，准零刚度隔振器整体表现出具有较大的静承载能力，并且动刚度为0。当振动输入部件向下移动时(如图4(b)所示)，内滑块3上侧的4个弹性薄板5的弯曲曲率变小，内滑块下侧的4个弹性薄板5的弯曲曲率变大；当振动输入部件向上移动时，内滑块3上侧的4个弹性薄板5的弯曲曲率变大，内滑块下侧的4个弹性薄板5的弯曲曲率变小；但准零刚度隔振器整体静承载能力保持不变，准零刚度隔振器整体动刚度为0，进而准零刚度隔振器能够有效隔离低频至高频的振动。

如图1及图2所示，振动输入部件为外框架4，外框架包括顶板16、底板17、第一侧板18以及第二侧板19。顶板16上设置有第一通孔，顶板的内表面和/或底板的内表面上均设置有凹槽。第一侧板18以及第二侧板19上均设置有滑槽以及通孔。连接杆2穿过第一通孔与内滑块3相连。内滑块3的两端分别安装在第一侧板18、第二侧板19上的滑槽内，内滑块3能够沿滑槽滑动。长轴6卡入顶板内表面凹槽内和/或底板内表面凹槽内，并且长轴6的端部可转动的安装在通孔上。如图4(a)及图4(b)所示，内滑块3的表面具有凹槽，短轴7卡入内滑块3所具有的凹槽内。

在一个优选例中，内滑块3的上表面具有平行布置的第一凹槽以及第二凹槽，内滑块3的下表面具有平行布置的第三凹槽以及第四凹槽；弹性部件数量为八个，分别命名为第一弹性元件8，第二弹性元件9、第三弹性元件10、第四弹性元件11、第五弹性元件12、第六弹性元件13、第七弹性元件14、第八弹性元件；八个弹性部件的布置如下：

在内滑块3的上面设置有第一弹性元件8，第二弹性元件9、第三弹性元件10、第四弹性元件11；第一弹性元件8、第二弹性元件9所具有的短轴均卡入第一凹槽内；第一弹性元件8及第二弹性元件9所具有的长轴均卡入顶板16所具有的第五凹槽内，并且第一弹性元件8、第二弹性元件9所具有的长轴的端部分别安装在第一侧板18、第二侧板19所具有的第二通孔20、第三通孔21上；第三弹性元件10、第四弹性元件11分别与第一弹性元件8第二弹性元件9沿第一平面对称布置；第一平面为内滑块3的纵剖面，纵剖面为位于内滑块3中心位置的纵剖面；第五弹性元件12、第六弹性元件13、第七弹性元件14、第八弹性元件分别与第一弹性元件8、第二弹性元件9、第三弹性元件10、第四弹性元件11相对于内滑块3对称。

当准零刚度隔振器设置有多个弹性部件时，在实际使用过程中，可以能够通过调整弹性薄板(5)的厚度和/或长度，以调整准零刚度隔振器整体的静承载能力。

所述自由状态为弹性薄板5还未安装至准零刚度隔振器上，且无外力施加于弹性薄板5的状态。所述装配状态为所述弹性薄板5安装至准零刚度隔振器上，且无无外力施加于准零刚度隔振器的状态。所述工作状态为所述弹性薄板5安装至准零刚度隔振器上，且有外力施加于准零刚度隔振器的状态。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种准零刚度隔振器，其特征在于，包括振动输出部件(1)、传动组件、振动输入部件以及多个弹性部件；

所述传动组件的一端可滑动的安装在所述振动输入部件的内部并连接所述弹性部件，传动组件的另一端穿过振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的外部并与振动输出部件(1)连接；

振动输入部件的底端为振动输入端，用于与外部振动源相连；

所述传动组件包括连接杆(2)及内滑块(3)，所述连接杆(2)的一端与所述振动输出部件(1)紧固相连，所述连接杆(2)的另一端穿过所述振动输入部件的顶端延伸到振动输入部件的内部并与能够在所述振动输入部件内部滑动的内滑块(3)相连；

所述弹性部件包括弹性薄板(5)、长轴(6)以及短轴(7)，所述弹性薄板(5)在装配状态下横截面为U形结构，所述弹性薄板(5)U型开口侧的一端与所述长轴(6)紧固连接，所述弹性薄板(5)U型开口侧的另一端与短轴(7)紧固连接；

所述长轴(6)与所述振动输入部件可转动连接，所述短轴(7)可转动的安装在所述内滑块(3)上；

所述弹性薄板(5)为由平板弹性弯曲而成的U形结构，所述弹性薄板(5)包括第一平板面、弧形面以及第二平板面，第一平板面通过弧形面连接第二平板面，所述第一平板面远离所述弧形面的端部与所述长轴(6)相连，所述第二平板面远离所述弧形面的端部与所述短轴(7)相连；

所述振动输入部件为外框架(4)，所述外框架(4)包括顶板(16)、底板(17)、第一侧板(18)以及第二侧板(19)；

所述顶板(16)上设置有第一通孔；

所述顶板(16)的内表面和/或所述底板(17)的内表面上均设置有凹槽；

所述第一侧板(18)以及第二侧板(19)上均设置有滑槽，所述第一侧板(18)、第二侧板(19)上分别具有第二通孔(20)、第三通孔(21)；

所述连接杆(2)穿过所述第一通孔与所述内滑块(3)相连；

所述内滑块(3)的两端分别安装在所述第一侧板(18)、第二侧板(19)上的滑槽内，所述内滑块(3)能够沿所述滑槽滑动；

所述长轴(6)卡入所述顶板(16)内表面凹槽内和/或所述底板(17)内表面凹槽内，并且所述长轴(6)的端部可转动的安装在所述第二通孔(20)和/或第三通孔(21)上。

2.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振器，其特征在于，所述弹性薄板(5)在自由状态下为平板，弯曲曲率为0；

所述弹性薄板(5)在装配状态下，第一平板面平行于第二平板面。

3.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振器，其特征在于，所述内滑块(3)的表面具有凹槽，所述短轴(7)卡入所述凹槽内。

4.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振器，其特征在于，所述弹性薄板(5)材料为碳纤维增强复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振器，其特征在于，所述长轴(6)、短轴(7)上开有矩形槽，所述弹性薄板(5)一端插入长轴(6)上的矩形槽中并与所述长轴(6)上的矩形槽粘接，所述弹性薄板(5)另一端插入短轴(7)上的矩形槽中并与所述短轴(7)上的矩形槽粘接。

6.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振器，其特征在于，所述内滑块(3)的上表面具有平行布置的第一凹槽以及第二凹槽，所述内滑块(3)的下表面具有平行布置的第三凹槽以及第四凹槽；

所述弹性部件数量为八个，分别命名为第一弹性元件(8)，第二弹性元件(9)、第三弹性元件(10)、第四弹性元件(11)、第五弹性元件(12)、第六弹性元件(13)、第七弹性元件(14)、第八弹性元件；八个所述弹性部件的布置如下：

在所述内滑块(3)的上面设置有第一弹性元件(8)，第二弹性元件(9)、第三弹性元件(10)、第四弹性元件(11)；

所述第一弹性元件(8)、第二弹性元件(9)所具有的短轴均卡入所述第一凹槽内；

所述第一弹性元件(8)及所述第二弹性元件(9)所具有的长轴均卡入所述顶板(16)所具有的第五凹槽内，并且第一弹性元件(8)、所述第二弹性元件(9)所具有的长轴的端部分别安装在所述第二通孔(20)、第三通孔(21)上；

所述第三弹性元件(10)、第四弹性元件(11)分别与所述第一弹性元件(8)、第二弹性元件(9)沿第一平面对称布置；所述第一平面为所述内滑块(3)的纵剖面；

所述第五弹性元件(12)、第六弹性元件(13)、第七弹性元件(14)、第八弹性元件分别与所述第一弹性元件(8)、第二弹性元件(9)、第三弹性元件(10)、第四弹性元件(11)相对于所述内滑块(3)对称。

7.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振器，其特征在于，能够通过弹性薄板(5)的长度和/或厚度的调整改变隔振器整体的静刚度。

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