CN115342159B

CN115342159B - 一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统

Info

Publication number: CN115342159B
Application number: CN202211285200.7A
Authority: CN
Inventors: 刘世伟; 彭高亮
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-10-20
Also published as: CN115342159A

Abstract

本发明属于减振装置领域，具体涉及一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，包括至少两层折纸单元，其中，每层折纸单元包括第一面板组件和第二面板组件，同层的第一面板组件和第二面板组件之间铰接；相邻层折纸单元的第一面板组件之间铰接，相邻层折纸单元的第二面板组件之间铰接；其中，在相邻层折纸单元的第一面板组件之间设置有第一竖直弹簧，在相邻层折纸单元的第二面板组件之间设置有第二竖直弹簧；在同层折纸单元的第一面板组件与第二面板组件之间安装有倾斜弹簧；其中，所述相邻层折纸单元第一面板组件之间的折痕方向与所述相邻层折纸单元第二面板组件之间的折痕方向相反。

Description

一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统

技术领域

本发明属于减振装置领域，具体涉及一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统。

背景技术

被动减振系统因其结构简单、性能可靠、无需外部能量供给的优势在工程领域中得到广泛的应用。线性被动减振器虽然设计容易，但是无法隔离低频振动信号，振动隔离效率低，近年来，已逐渐被非线性被动减振器所代替。

非线性被动减振系统通常受减振器结构的初始状态影响，通常设计为承受压载受力形式的构型，而对于悬吊式的拉载构型研究较少。因此，亟需完善非线性减振器在拉载荷作用下的设计研究。

非线性减振系统的设计核心在于利用结构的非线性特性在运动过程中产生高的静态刚度和低的动态刚度。高静态刚度可以满足大承载需求，而低动态刚度可以实现超低频隔振和高效振动衰减。

折纸超材料是一种强非线性系统，通过在其结构上嵌入弹性元件，可以实现整体变刚度的非线性特性，在机器人、折展机构、吸能装置中得到了大量的应用。然而，目前关于折纸超材料的变刚度研究主要集中于嵌入线性刚度，利用折纸结构的几何非线性实现整体刚度的非线性。而关于嵌入负刚度这类非线性刚度目前尚未有相关研究。

可以发现，近年来，研究者对于减振系统和折纸超材料开展了很多研究工作，但也存在一些局限：（1）目前将折纸超材料应用于减振系统中的相关研究极少，亟需深入挖掘；（2）折纸超材料刚度实现手段单一，利用具备超材料特性的折痕关节实现整体刚度输出的研究尚未见发表；（3）高性能减振器通常以承受压载为主，承受拉载的悬吊减振应用相对较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而设计基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，利用折纸超材料作为结构骨架，在其中嵌入具有负刚度特性的柔性关节超材料，组合形成折纸复合超材料结构，并将之应用于悬吊负载场景中。通过合理的参数设计，使整体结构具备高静态刚度和低动态刚度，进而实现高性能的振动抑制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，包括至少两层折纸单元，其中，每层折纸单元包括第一面板组件和第二面板组件，同层的第一面板组件和第二面板组件之间铰接；相邻层折纸单元的第一面板组件之间铰接，相邻层折纸单元的第二面板组件之间铰接；

其中，在相邻层折纸单元的第一面板组件之间设置有第一竖直弹簧，在相邻层折纸单元的第二面板组件之间设置有第二竖直弹簧；在同层折纸单元的第一面板组件与第二面板组件之间安装有倾斜弹簧；

在初始状态下，相邻层的折纸单元的第一面板组件之间呈第一角度，且对称布置；相邻层的折纸单元的第二面板组件之间呈第二角度，且对称布置；其中，所述相邻层折纸单元第一面板组件之间的折痕方向与所述相邻层折纸单元第二面板组件之间的折痕方向相反。

在一个实施方案中在所述最上层折纸单元上设置有基座，用于对整个减振系统固定，在最下层折纸单元上设置有负载连接件，用于连接负载。

在一个实施方案中所述第一面板组件、第二面板组件均包括折纸面板本体、轴套和弹簧固定件；所述折纸面板本体在靠近相邻的折纸面板本体的边设置有所述轴套，分别用于安装转轴，进而与相邻的折纸面板本体之间铰接；所述折纸面板本体上还设置有两道凹槽，分别作为倾斜弹簧和竖直弹簧的活动空间，避免物理干涉；所述弹簧固定件靠近所述凹槽设置，用于固定所述倾斜弹簧或竖直弹簧的一端。

在一个实施方案中所述轴套分别设置在所述凹槽的两侧，且相对所述凹槽对称布置。

在一个实施方案中所述面板组件还包括弹簧定位调节模块，所述弹簧定位调节模块包括两个对称布置的长度调节单元和一个高度调节单元组成；其中所述两个对称布置的长度调节单元分别设置在所述凹槽的两侧，所述高度调节单元设置在所述长度调节单元上，所述弹簧固定件设置在所述高度调节单元上。

在一个实施方案中所述长度调节单元包括长度调节单元本体、连接板、推板和片弹簧；其中，所述长度调节单元本体上设置有固定槽，其一侧槽口设计为包括多个锯齿，便于实现手动定位锁紧；所述连接板设置在所述固定槽内，并且可以沿着固定槽内部槽口活动；在所述连接板上面设置有片弹簧，通过所述片弹簧与所述锯齿的配合，能够实现连接板保持锁紧。

在一个实施方案中在固定槽两端装有堵头，用于连接板的限位；所述连接板上固定连接有推板，所述推板位于所述固定槽外侧，通过对推板的前后推拉，实现所述连接板在所述固定槽内的移动。

在一个实施方案中所述高度调节单元包括两根对称布置的支杆螺杆，一根所述支杆螺杆设置在凹槽一侧的所述长度调节单元的连接板上；具体地，所述连接板上设置有通孔，所述调节单元本体的底面设置有第一长条槽，所述折纸面板本体上设置有第二长条槽，所述支杆螺杆穿过所述通孔、所述第一长条槽和第二长条槽，并利用螺栓固定在折纸面板本体另一侧面。

在一个实施方案中在支杆螺杆的顶端穿设有销轴，销轴上设置有所述弹簧固定件。

在一个实施方案中所述第二竖直弹簧的弹簧固定件和倾斜弹簧的弹簧固定件位于所述折纸单元的第一面，所述第一竖直弹簧的弹簧固定件位于所述折纸单元的另一面。

本发明的效果如下：

（1）设计了一种折纸复合超材料结构，将具有负刚度超材料特性的折痕关节嵌入于折纸超材料中，实现整体复合超材料结构，并且能够调制出所需力学输出特性。

（2）综合利用了折痕关节的非线性刚度特性结合折纸超材料的非线性几何特性，实现了悬吊减振系统的高性能振动抑制。

（3）所设计的悬吊减振系统，参数众多，可设计性强。可以通过长度调节单元和高度调节单元手动调节拉簧至指定位置并锁定，方法简单高效。

附图说明

图1为本发明减振系统初始状态整体图；

图2为本发明减振系统初始状态主视图；

图3为本发明减振系统初始状态左视图；

图4为本发明减振系统初始状态俯视图；

图5为本发明减振系统展开状态视图；

图6为本发明减振系统的面板组件的结构图；

图7为本发明弹簧定位调节模块结构图；

图8为本发明弹簧定位调节模块爆炸图；

图9为本发明减振系统的折痕关节力学模型；

图10为本发明减振系统的折痕关节回复力及刚度特性曲线；

图11为本发明减振系统的拓扑结构图；

图12为本发明减振系统与线性减振系统性能对比图。

图中：100第一面板组件；110折纸面板本体；120轴套；130弹簧固定件；140凹槽；200 第二面板组件；300第一竖直弹簧；310第二竖直弹簧；400倾斜弹簧； 500基座；600负载连接件；700弹簧定位调节模块；710长度调节单元；711长度调节单元本体；7111第一长条槽；712固定槽；713连接板；7131长条缝隙；714片弹簧；715堵头；716推板；7161条状凸起；720高度调节单元；721支杆螺杆；722螺母；723销轴。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。

如图1-4所示，本发明的一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，包括至少两层折纸单元，其中，每层折纸单元包括第一面板组件100和第二面板组件200，同层的第一面板组件100和第二面板组件200之间铰接；相邻层折纸单元的第一面板组件100之间铰接，相邻层折纸单元的第二面板组件200之间铰接。

其中，在相邻层折纸单元的第一面板组件100之间设置有第一竖直弹簧300，在相邻层折纸单元的第二面板组件200之间设置有第二竖直弹簧310；在同层折纸单元的第一面板组件100与第二面板组件200之间安装有倾斜弹簧400。

在初始状态下，相邻层的折纸单元的第一面板组件100之间呈第一角度，且对称布置；相邻层的折纸单元的第二面板组件200之间呈第二角度，且对称布置；其中，所述相邻层折纸单元第一面板组件100之间的折痕方向与所述相邻层折纸单元第二面板组件200之间的折痕方向相反。

例如，相邻层的折纸单元的第一面板组件100之间折痕为谷折痕时，相邻层的折纸单元的第二面板组件200之间折痕为峰折痕；相邻层的折纸单元的第一面板组件100之间折痕为峰折痕时，相邻层的折纸单元的第二面板组件200之间折痕为谷折痕。以图1为例，峰折痕就是折叠角朝向纸面外侧，谷折痕就是折叠角朝向纸面内侧。

其中，在所述最上层折纸单元上设置有基座500，用于对整个减振系统固定，在最下层折纸单元上设置有负载连接件600，用于连接负载。以图1中的两层折纸单元结构为例，在上层折纸单元的第二面板组件200上端设置基座500，在下层折纸单元的第二面板组件200的下端设置负载连接件600。

采用本申请的方案，将具有负刚度超材料特性的折痕关节嵌入于折纸超材料中，实现整体复合超材料结构，并且能够调制出所需力学输出特性。综合利用了折痕关节的非线性刚度特性结合折纸超材料的非线性几何特性，实现了悬吊减振系统的高性能振动抑制。

采用多层折纸单元时，相邻层的第一面板组件100之间折痕交替为峰折痕、谷折痕，相邻层的第二面板组件200之间折痕交替为谷折痕、峰折痕，形成了多层折叠结构。

当本申请的减振系统连接负载后，在负载作用下，整体机构会向下运动，折纸系统的最大展开状态如图5所示，此时，在相邻层折纸单元的第一面板组件100之间以及在相邻层折纸单元的第二面板组件200之间的第一竖直弹簧300、第二竖直弹簧310发生拉伸；在同层折纸单元的第一面板组件100与第二面板组件200之间的倾斜弹簧400也发生拉伸。这个减振系统的多个面板组件相互之间的角度变大，接近180度，使得整个机构近似一个平面。

在一个实施方案中，如图6所示，所述第一面板组件100、第二面板组件200均包括折纸面板本体110、轴套120和弹簧固定件130。所述折纸面板本体110在靠近相邻的折纸面板本体的边设置有所述轴套120，分别用于安装转轴，进而与相邻的折纸面板本体110之间铰接。所述折纸面板本体110上还设置有两道凹槽140，分别作为倾斜弹簧400和竖直弹簧的活动空间，避免物理干涉。所述弹簧固定件130靠近所述凹槽140设置，用于固定所述倾斜弹簧400或竖直弹簧的一端。这样，一根弹簧的两端分别连接在两个相邻面板组件之间，在负载的作用下实现对于面板组件之间角度的调整。

在一个实施方案中，所述轴套120分别设置在所述凹槽140的两侧，且相对所述凹槽140对称布置。采用这样的方案，在负载力的作用下，面板承受的力以及弹簧承受的力比较均匀，不易发生一端受力较多偏斜或者局部磨损较大而造成损坏的问题。

在一个实施方案中，如图7-8所示，所述面板组件还包括弹簧定位调节模块700，所述弹簧定位调节模块700包括两个对称布置的长度调节单元710和一个高度调节单元720组成。其中所述两个对称布置的长度调节单元710分别设置在所述凹槽140的两侧，所述高度调节单元720设置在所述长度调节单元710上，所述弹簧固定件130设置在所述高度调节单元720上。通过长度调节单元710和高度调节单元720的动作可以实现弹簧固定件130在面板组件上沿着凹槽140方向的长度和以及垂直于面板组件的高度两个方向的尺寸调节，进而可以调整弹簧长度，进而调整整个减振系统的刚度等参数。

在一个实施方案中，所述长度调节单元710包括长度调节单元本体711、连接板713、推板716和片弹簧714。其中，所述长度调节单元710本体上设置有固定槽712，其一侧槽口设计为包括多个锯齿，便于实现手动定位锁紧。所述连接板713设置在所述固定槽712内，并且可以沿着固定槽712内部槽口活动。在所述连接板713上面设置有片弹簧714，通过所述片弹簧与所述锯齿的配合，能够实现连接板保持锁紧。具体地，所述连接板上设置有两个竖直挡板，用于固定所述片弹簧。一长条缝隙7131位于所述两个竖直挡板之间。所述推板716底部设置有条状凸起7161，所述条状凸起7161可插入所述长条缝隙7131中，并且条状凸起7161的长度小于长条缝隙7131的长度，使得所述条状凸起7161可以沿着所述长条缝隙7131在一定范围内移动。所述片弹簧为W形，包括两个弯折部，和连接在两个弯折部之间的连接部。所述两个弯折部的顶端可以嵌入所述锯齿中。这样在外力使得连接板713发生移动趋势时，所述两个弯折部的顶端与锯齿配合形成自锁，阻止了连接板713的移动。只有在推板716移动时，条状凸起7161与片弹簧的一个弯折部碰触，将其脱离所述锯齿，使得连接板可以发生向前或向后移动。

在一个优选的方案中，在固定槽712两端装有堵头715，用于连接板713的限位；所述连接板713上固定连接有推板716，所述推板716位于所述固定槽712外侧，通过对推板716的前后推拉，实现所述连接板713在所述固定槽712内的移动。

在一个实施方案中，所述高度调节单元720包括两根对称布置的支杆螺杆721，一根所述支杆螺杆721设置在凹槽140一侧的所述长度调节单元710的连接板713上。具体地，所述连接板713上设置有通孔，所述长度调节单元本体711的底面设置有第一长条槽7111，所述折纸面板本体110上设置有第二长条槽（图中未示出），所述支杆螺杆721穿过所述通孔、所述第一长条槽和第二长条槽，并利用螺母722固定在折纸面板本体另一侧面。这样可以通过升降支杆螺杆721实现高度方向的调节，再通过锁紧折纸面板本体另一侧的螺母722进行锁紧固定。

在一个实施方案中，在支杆螺杆721的顶端穿设有销轴723，销轴723上设置有所述弹簧固定件130，例如销轴套，利用销轴723可以更方便地更换安装拉簧，优选，所述销轴套采用自润滑销轴套，可以有效减少拉簧吊环处与销轴723的摩擦，减小运动过程中的阻力。

在一个实施方案中，所述第一竖直弹簧300的数量为两根或三根以上。所述第二竖直弹簧310的数量为两根或三根以上。在一个实施方案中，所述倾斜弹簧400的数量为两根或三根以上，且相互之间平行设置。所述第二竖直弹簧310的数量为两根或三根以上，且相互之间平行设置。所述竖直弹簧和倾斜弹簧400均为拉簧。

在一个实施方案中，所述第二竖直弹簧310和倾斜弹簧400的弹簧固定件130位于所述折纸单元的第一面，所述第一竖直弹簧300的弹簧固定件130位于所述折纸单元的另一面。

在一个实施方案中，所述折纸面板本体110为梯形，其中，同层折纸单元的第一面板组件100和第二面板组件200的折纸面板本体110的斜边平行相邻。相邻层折纸单元的第一面板组件100的折纸面板本体110之间底边平行相邻。相邻层折纸单元的第二面板组件200的折纸面板本体110之间底边平行相邻。

下面结合附图说明本申请减振系统的工作原理：

所发明的基于折纸复合超材料的悬吊减振系统以基本的折纸超材料为骨架，因而其运动学遵循折纸单元的运动规律；由于在相邻折纸面板组件之间添加了拉簧。当拉簧悬挂点（即支杆螺杆721位置）外向支出时，折痕处的拉簧具有负刚度的非线性特性，属于具有负特性的超材料。将其嵌入折纸超材料中，即组合形成复合折纸超材料。

（1）首先分析添加拉簧的折痕关节的负刚度特性。

拉簧悬挂点是外向支出的，折痕关节处的力学模型可以简化为图9所示。图中，OA 杆、AB杆分别代表相邻两个折纸面板，铰点A即为折纸面板的旋转轴位置，假设折纸面板上外向支出的支杆螺杆721分别为CW杆和DH杆，则拉簧安装在WH之间。根据上文设计，有CW杆垂直于OA杆，DH杆垂直于AB杆。同时，各杆件长度设置为：OA杆和AB杆长度为d，AC距离为p， AD距离为q，支杆螺杆721CW有效高度为r，支杆螺杆721DH有效高度为s，OA杆与AB杆夹角的一半为

。

建立坐标系后，可以求解得到拉簧悬挂点坐标分别为

(1)

(2)

则拉簧的实时长度，即WH之间的距离，为

(3)

假设初始状态下倾角

的值为

，则初始弹簧长度为

(4)

铰点B的有效位移为

(5)

当WH间所连接弹簧刚度系数为k时，折痕关节整体回复力F和刚度K可以计算为

(6)

(7)

选取如下数据，进行验算。当d=130mm，p=q=65mm，r=s=10mm，k=1N/mm时，绘制折痕关节回复力及刚度特性曲线如图10所示。可以发现，折痕关节具有明显的非线性回复力特性，图10中，左图为折痕关节整体回复力随位移变化曲线，右图为对应的刚度变化趋势。当拉伸位移逐渐增大时，整体回复力呈现先增大后减小的趋势，对应的刚度变化从正刚度到负刚度，中间会经过零刚度区间。

（2）折纸复合超材料减振系统

当将带有拉簧的折痕关节嵌入折纸超材料中，组成了折纸复合超材料，其运动学特性满足折纸超材料的运动规律，其力学特性由折痕关节影响。

以两层折纸单元为例，折纸超材料的拓扑结构如图11所示，左图为完全展开时的状态，右图为折叠过程中的示意图，一共有4个折痕，其中

、

、

均为峰折痕，在折叠过程中折痕方向向外，而

为谷折痕，在折叠过程中折叠方向向内。同时，折痕

和折痕

处均应悬挂竖直拉簧，而折痕

和折痕

处均应悬挂倾斜拉簧。假设竖直拉簧和倾斜拉簧的刚度系数分别为

和

，竖直方向的夹角的一半为

，折纸面板

和折纸面板

组成的二面角的平面角大小为

，折纸面板的扇形角大小为

，图示折纸超材料高度为h，单层折纸单元高度为d，则有如下关系成立：

(8)

(9)

其中，N为折纸超材料高度，图中所示为2层折纸基本单元组成的折纸超材料结构。

将折痕单元力学公式代入折纸复合超材料结构中，可以计算得到其整体的回复力大小为

(10)

其中，m为竖直拉簧的数量，n为倾斜拉簧的数量，

和

分别为竖直拉簧和倾斜拉簧的有效长度，

和

分别为竖直拉簧和倾斜拉簧在初始位置的长度。可以分别计算为

(11)

(12)

从以上分析可以看出，所发明的折纸复合超材料结构是一个多参数耦合的强非线性系统，当合理选择参数时，可以调节至所需的刚度输出。例如，当各结构参数选择为d=130mm，p=q=65mm，r=s=10mm，k=1N/mm时，利用其穿越零刚度的特性，其附近区间的动态刚度几乎为0，在这种情况下，设计而成的悬吊减振系统具有高性能减振效果。图12为本发明与工程实践中常用的线性减振系统的传递性能对比。其中，横坐标为频率比，纵坐标为隔振性能参数，当其数值小于0时表明就有振动抑制效果，数值大于0时表明会放大振动效果。可以看出，本发明的有效初始减振频率远低于线性减振系统，具有更宽的减振频带，同时，在同一频率作用下，减振效果更加优越。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，其特征在于：包括至少两层折纸单元，其中，每层折纸单元包括第一面板组件和第二面板组件，同层的第一面板组件和第二面板组件之间铰接；相邻层折纸单元的第一面板组件之间铰接，相邻层折纸单元的第二面板组件之间铰接；

在初始状态下，相邻层的折纸单元的第一面板组件之间呈第一角度，且对称布置；相邻层的折纸单元的第二面板组件之间呈第二角度且对称布置；其中，所述相邻层折纸单元第一面板组件之间的折痕方向与所述相邻层折纸单元第二面板组件之间的折痕方向相反；

所述第一面板组件、第二面板组件均包括折纸面板本体、轴套和弹簧固定件；所述折纸面板本体在靠近相邻的折纸面板本体的边设置有所述轴套，用于安装转轴，进而与相邻的折纸面板本体之间铰接；所述折纸面板本体上还设置有两道凹槽，分别作为倾斜弹簧和竖直弹簧的活动空间；所述弹簧固定件靠近所述凹槽设置，用于固定所述倾斜弹簧或竖直弹簧的一端;

在所述凹槽的两侧均设置有所述轴套，且相对所述凹槽对称布置;

所述面板组件还包括弹簧定位调节模块，所述弹簧定位调节模块包括两个对称布置的长度调节单元和一个高度调节单元；其中所述两个对称布置的长度调节单元分别设置在所述凹槽的两侧，所述高度调节单元连接在所述长度调节单元上，所述弹簧固定件设置在所述高度调节单元上；

所述长度调节单元包括长度调节单元本体、连接板、推板和片弹簧；其中，所述长度调节单元本体上设置有固定槽，其一侧槽口设计为包括多个锯齿，便于实现手动定位锁紧；所述连接板设置在所述固定槽内，并且可以沿着固定槽内部槽口活动；在所述连接板上面设置有片弹簧，通过所述片弹簧与所述锯齿的配合，能够实现连接板保持锁紧。

2.根据权利要求1所述的基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，其特征在于：在所述最上层折纸单元上设置有基座，用于对整个减振系统固定，在最下层折纸单元上设置有负载连接件，用于连接负载。

3.根据权利要求1所述的基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，其特征在于：在固定槽两端装有堵头，用于对连接板进行限位；所述连接板上固定连接有推板，所述推板位于所述固定槽外侧，通过对推板的前后推拉，实现所述连接板在所述固定槽内的移动。

4.根据权利要求1所述的基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，其特征在于：所述高度调节单元包括两根对称布置的支杆螺杆，一根所述支杆螺杆设置在凹槽一侧的所述长度调节单元的连接板上；具体地，所述连接板上设置有通孔，所述调节单元本体的底面设置有第一长条槽，所述折纸面板本体上设置有第二长条槽，所述支杆螺杆穿过所述通孔、所述第一长条槽和第二长条槽，并利用螺栓固定在折纸面板本体另一侧。

5.根据权利要求4所述的基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，其特征在于：在支杆螺杆的顶端穿设有销轴，在销轴上设置有所述弹簧固定件。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于折纸复合超材料的悬吊减振系统，其特征在于：所述第二竖直弹簧的弹簧固定件和倾斜弹簧的弹簧固定件位于所述折纸单元的第一面，所述第一竖直弹簧的弹簧固定件位于所述折纸单元的另一面。