CN113623361A - 基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置 - Google Patents

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Abstract

基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，属于隔振装置技术领域。本隔振装置在既能正常传递系统额定扭转运动的同时，减小了系统扭转动刚度从而降低了固有频率，实现轴系部件对低频及超低频频带下的扭转振动隔离，具有较好的隔振效果。所述两个连杆装置两端分别以铰接形式连接在内件与对应的滑块上，所述两个滑块均通过固定在外件内侧的滑槽限制其位移方向，所述弹性元件向两个滑块产生作用力并通过两个连杆装置对内件施加扭转力矩。本发明通过引入负刚度装置，降低轴系结构扭转动刚度，从而降低系统扭转方向固有频率，实现对在低频乃至超低频带下的隔振功能。

Description

基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置
技术领域
本发明属于隔振装置技术领域，具体涉及一种扭转隔振装置。
背景技术
旋转机械广泛应用于航空航天、机械加工制造、能源、轨道交通等领域。而扭转振动是旋转机械系统中普遍存在的一种动力学现象，它会破坏机械设备的平稳运行，甚至造成相关部件损坏等严重后果。在精密工程领域，扭振会影响精密仪器的精度，严重的扭振还会引起噪声问题。被动隔振具有是无需外界输入能量，结构简单，质量轻，容易实现，性能可靠等优点，并且已在传统工程领域得到广泛应用。但是由于受到自身结构特性限制，其稳定性较差，不具有可调节性，并且无法隔绝低频乃至超低频带内的扭转振动。
传统隔振技术对于低频尤其是超低频振动的隔振效果不理想。准零刚度隔振器具有高静低动的刚度特性，能有效提高系统稳定性以及静态承载能力，具有优越的低频隔振性能，受到了国内外学者的广泛关注。高静低动这一概念最早在1957年由英国工程师Molyneux[1]提出。所谓高静低动，是指在具有高静刚度的同时，具有较低的动刚度。高静刚度可以保证系统静变形量小；低动刚度使得系统的固有频率减小，这样可以扩大隔振区间。
而针对隔离低频扭转振动的非线性扭转隔振器，国内外研究成果相对较少，Hou[2]等人提出了多种能够恒定输出扭矩的功能性关节机构，并潜在应用于人体关节康复设备，但未涉及结构于隔振领域的应用，周加喜等采用将预压缩凸轮滚子机构与具有正扭转刚度的硫化橡胶并联，研制了一种扭转准零刚度隔振器(申请公布号CN104455199A,申请公布日2015.03.25)，但其结构较为复杂，凸轮机构对工艺性要求较高，且预压缩弹簧结构天然具有稳定性差等方面的不足。
[1]Molyneux,W.G.The Support of an Aircraft for Ground ResonanceTests:A Survey of Available Methods[J].Aircraft Engineering and AerospaceTechnology,1958,30(6):160-166.
[2]Hou C W,Lan C C.Functional joint mechanisms with constant-torqueoutputs[J].Mechanism&Machine Theory,2013,62:166-181.
发明内容
本发明针对现有不足，提出一种基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，在既能正常传递系统额定扭转运动的同时，减小了系统扭转动刚度从而降低了固有频率，实现轴系部件对低频及超低频频带下的扭转振动隔离，具有较好的隔振效果。
本发明所采取的技术方案是：一种基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，包括内件、外件、弹性元件、两个滑槽、两个滑块及两个连杆装置；所述两个连杆装置两端分别以铰接形式连接在内件与对应的滑块上，所述两个滑块均通过固定在外件内侧的滑槽限制其位移方向，所述弹性元件向两个滑块产生作用力并通过两个连杆装置对内件施加扭转力矩。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明通过引入负刚度装置，降低轴系结构扭转动刚度，从而降低系统扭转方向固有频率，实现对在低频乃至超低频带下的隔振功能。
2.本发明具有性能、质量、精度和效率的提高；能耗、原材料、工序的节省；加工、操作、控制、使用简便等方面的优点。
附图说明
图1是本发明安装及工作原理示意图；
图2是本发明纵向剖面图；
图3是本发明侧视图；
图4是本隔振装置转动后结构示意图；
图5是本隔振装置恢复力矩随转角变化关系曲线；
图6是本隔振装置扭转等效刚度随转角变化关系曲线；
图7是本实施方式四示意图一；
图8是本实施方式四示意图二；
图9是本实施方式七示意图；
其中：1、内件；2、滑槽；3、滑块；4、弹性元件；5、连杆装置；6、外件。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图9说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，包括内件1、外件6、弹性元件4、两个滑槽2、两个滑块3及两个连杆装置5；所述两个连杆装置5两端分别以铰接形式连接在内件1与对应的滑块3上，所述两个滑块3均通过固定在外件6内侧的滑槽2限制其位移方向，所述弹性元件4向两个滑块3产生作用力并通过两个连杆装置5对内件1施加扭转力矩。
具体实施方式二：参照图1至图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一作进一步限定，本实施方式中，两个滑槽2均使滑块3沿着靠近和远离内件1方向移动。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二作进一步限定，本实施方式中，内件1和外件6为同心设置的轴系部件，分别为输入输出端连接轴。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四，参照图7至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二作进一步限定，本实施方式中，内件1和外件6为非轴系部件，分别为被隔振结构和外部结构。
本隔振装置的具体实际应用场景不局限于如图1所示联轴器，也可以安装于如悬架，云台等其他扭转系统的转动连接处，内件1，外件6可替换为非轴系结构，连杆装置5两端以及滑槽2可分别安装在被隔振结构和外部结构位置上，通过本隔振装置为结构提供扭转负刚度，降低系统转动模态对应的固有频率，起到隔离转动方向振动的作用，如图7，8所示；
具体实施方式五：参照图2至9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三或四所述的弹性元件4作进一步限定，本实施方式中，弹性元件4采用预拉伸弹簧、柔性梁结构以及其他弹性结构。其它组成及连接方式与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：参照图2至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五作进一步限定，本实施方式中，预拉伸弹簧的数量为一根，预拉伸弹簧两端连接在两个滑块3上。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
预拉伸弹簧和现有预压缩弹簧凸轮式结构相比，结构简单，节约成本，可调节性强，隔振结构所需弹簧数量由两根减少为一根，因此系统可靠性显著提高，且具有较好的稳定性。
具体实施方式七：参照图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五作进一步限定，本实施方式中，预拉伸弹簧的数量为两根，每根预拉伸弹簧的两端连接在外件6和对应的一个滑块3上。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
滑槽2可以替换为滑轨等其他限制滑块单一方向运动的限位装置；
在各结构连接关系不变条件下，预拉伸弹簧与连杆装置5在结构内的相对安装位置可以改变；
本隔振装置利用刚性杆，滑块以及弹簧装置相结合，从而达到降低扭转动刚度，实现系统低频隔振的目的。
隔振装置安装工作原理如图1所示，其安装于两个转动轴之间，起到联轴器的作用，同时通过内部非线性结构为整个转动轴系结构提供负刚度，以隔离转动力矩传入系统中的中的扭转扰动。
当内件1，外件6发生相对转动时，隔振结构工作状态如图4所示，由于预拉伸弹簧存在预拉伸量，因此将通过连杆装置5对内件1施加与转动方向相同的扭矩。
对隔振结构进行力学分析可知，发生相对转动后，内件1受到的扭矩大小为：
Figure BDA0003216040740000051
对扭矩关于转角求导，得到隔振系统扭等效转动刚度大小为：
Figure BDA0003216040740000061
其中，θ为内外轴相对转动角度，φ为连杆转动角度，可由几何关系推导得出，k为预拉伸弹簧刚度，L0为预拉伸弹簧原长，L为连杆长度，R为内轴截面半径。
根据上面推倒出的扭矩，等效刚度公式，可以绘制出扭转恢复力矩，等效扭转刚度随转动角度变化曲线如图5，6所示，由图5可知，系统在静平衡位置附近扭矩随转角增加而减小，说明系统具有扭转负刚度特性，这一特性在图6中可以更为直观的观察分析得到。结果表明本发明可以降低轴系部件扭转动刚度，降低整体系统固有频率，起到低频隔振的效果。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：包括内件(1)、外件(6)、弹性元件(4)、两个滑槽(2)、两个滑块(3)及两个连杆装置(5)；所述两个连杆装置(5)两端分别以铰接形式连接在内件(1)与对应的滑块(3)上，所述两个滑块(3)均通过固定在外件(6)内侧的滑槽(2)限制其位移方向，所述弹性元件(4)向两个滑块(3)产生作用力并通过两个连杆装置(5)对内件(1)施加扭转力矩。
2.根据权利要求1所述的基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：所述两个滑槽(2)均使滑块(3)沿着靠近和远离内件(1)方向移动。
3.根据权利要求2所述的基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：所述内件(1)和外件(6)为同心设置的轴系部件，分别为输入输出端连接轴。
4.根据权利要求2所述的基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：所述内件(1)和外件(6)为非轴系部件，分别为被隔振结构和外部结构。
5.根据权利要求3或4所述的基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：所述弹性元件(4)采用预拉伸弹簧。
6.根据权利要求5所述的基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：所述预拉伸弹簧的数量为一根，弹性元件(4)两端连接在两个滑块(3)上。
7.根据权利要求5所述的基于预拉伸弹簧的扭转负刚度隔振装置，其特征在于：所述预拉伸弹簧的数量为两根，每根预拉伸弹簧的两端连接在外件(6)和对应的一个滑块(3)上。
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