CN202520846U - 一种针对基础激励的低频隔振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了针对基础激励的低频隔振器，该隔振器利用四个倾斜线性弹簧以及一个垂直线性弹簧提供恢复力，组成一个非线性几何结构；合理设计垂直弹簧和倾斜弹簧的刚度系数及系统的几何参数，使得系统的几何参数与弹簧的刚度满足一定的关系，从而使系统在静平衡位置处的刚度为零，达到系统动态小刚度的目的，实现低频或超低频隔振，该隔振器仅由线弹簧构成，所以结构简单紧凑，易于实现工程化。

Description

一种针对基础激励的低频隔振器

技术领域

本实用新型涉及一种低频或超低频隔振装置，特别是一种针对基础激励的低频隔振器。

背景技术

随着工程科学技术的高速发展，机械加工精度越来越高，人们对生活舒适性的追求也越来越迫切。精密机床、精密测量仪器、航天器搭载设备等对环境振动异常敏感，小幅的振动可能严重影响加工精度、测量精度，甚至造成精密设备本身的破坏。另外，汽车良好的乘驾舒适性大部分取决于座椅隔振系统隔离路面随机激励的能力。因此，必须采取高效隔振器件隔离环境振动，以获取良好的加工精度、保护精密仪器、或使车椅满足良好的乘驾舒适性。

传统的线性隔振系统结构见图1，只有当激励频率大于

(ω_n指线性系统的固有频率)时系统才具有隔振效果，尽量减小系统刚度可以获取较低的隔振频率，但系统中却始终存在着刚度和位移间的权衡问题。时至今日，鉴于线性隔振系统的诸多局限性，非线性隔振系统具有诸多线性系统无法比拟的优点，但受限于非线性动力学的研究进展，基础激励下的低频或超低频隔振仍是工程领域面临的难题，为了提高低频隔振效果，就必须降低系统的固有频率，这将导致系统刚度降低，然而，在实际隔振器的设计中，弹簧的刚度系数越小，隔振器的静变形很大，这势必导致设备的稳定性变差。因此，理想的隔振器应该既具有较高的刚度承受被隔振设备的重量，又要求在静平衡位置附近振动时具有较低的刚度，使系统具有较低的固有频率，从而实现在低频隔振的目标。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种针对基础激励的低频隔振器，提高低频或超低频隔振能力。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种针对基础激励的低频隔振器，包括一根垂直设置的线性弹簧(2)，还包括四根结构参数相同的倾斜设置的线性弹簧(1)，四根倾斜设置的线性弹簧(1)顶端与垂直设置的线性弹簧(2)顶端相铰接；四根倾斜设置的线性弹簧(1)底端各与一个支撑基座(3)连接，四个支撑基座(3)分别为水平面上一个正方形(ABCD)的四个顶点，该正方形的对角线与所述垂直设置的线性弹簧(2)的轴线正交于正方形的中心点(O)，中心点(O)到垂直设置的线性弹簧(2)顶端的距离(h)小于倾斜设置的线性弹簧(1)的长度；四根倾斜设置的线性弹簧(1)结构参数相同。

所述五根线性弹簧上设有导向装置。

所述四根倾斜设置的线性弹簧(1)上设有微调装置。

本实用新型利用线性弹簧组合设计出具有准零刚度的隔振器，斜弹簧在系统中提供负刚度，并在静平衡位置与竖直弹簧的正刚度抵消，实现了零刚度，且在静平衡位置附近，系统刚度很小，有利于实现低频隔振，其小动态刚度使隔振器具有良好的低频或超低频隔振效果，因此隔振频率范围大；且仅含有线性弹簧，结构简单，容易实现。

附图说明

图1为传统线性隔振系统的原理结构图；

图2为本实用新型一实施例结构简图；

图3为图2所示隔振器二维剖面图；

图4为本实用新型一实施例倾斜弹簧的二维导向剖面图；

图5为当k_v＞k_QZS，k_v＜k_QZS和k_v＝k_QZS时，本实用新型一实施例隔振器的刚度曲线；

图6为针对基础激励的低频非线性隔振器和线性系统的位移传递率比较图；

图7为相同基础激励下本实用新型隔振器与等效线性系统的响应比较图；

其中：

1：倾斜弹簧；2：竖直弹簧；3：斜弹簧连接柱；4：支撑基座；5：滑槽；6：微调螺杆；7：铰接转动副；8：斜弹簧导向装置；9：上层支撑板；10：上连接柱；11：四向接头；12：竖直弹簧导向心轴；13：竖直弹簧导杆；14：单耳片；15：倾斜弹簧导向套筒；16：直线轴承；17：倾斜弹簧导杆；18：被隔振物体；19：线性弹簧；20：基座；21：阻尼器。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型一实施例包括一根垂直设置的线性弹簧2，还包括四根倾斜设置的线性弹簧1，四根倾斜设置的线性弹簧1顶端与垂直设置的线性弹簧2顶端相铰接；四根倾斜设置的线性弹簧1底端各与一个支撑基座3连接，四个支撑基座3分别为水平面上一个正方形ABCD的四个顶点，该正方形的对角线与所述垂直设置的线性弹簧2的轴线正交于正方形的中心点O，中心点O到垂直设置的线性弹簧2顶端的距离h小于倾斜设置的线性弹簧1的长度；四根倾斜设置的线性弹簧1结构参数相同。

参见图2～图4，装配尺寸a(即正方形ABCD的边长)是需要严格保证的，考虑到制造以及装配误差，为了提高a的精度，设备中设计有螺旋微螺杆6，若装配完成后发现尺寸a存在误差，可转动微调螺杆6，从而带动斜弹簧连接柱3左右滑动，变旋转运动为直线运动，达到微调尺寸a的目的；经实践发现，斜弹簧在压缩量比较大时会失稳，弯曲如香蕉状，故倾斜弹簧部分设计有导向装置8，导向装置8的详细结构如下图4所示，当竖直弹簧2在其导向装置导向下伸长或压缩时，四向接头11将会带动倾斜弹簧导杆17在直线轴承16中滑动，从而使倾斜弹簧1伸长或压缩。

这种隔振器用于低频或超低频的隔振，其结构具有几何非线性。

图1所示是在竖直弹簧处于自由状态时隔振器的初始状态，此时倾斜弹簧1已经处于受压状态，倾斜弹簧1的预压缩量

L₀指倾斜弹簧1的自由长度。中间是竖直弹簧2，其刚度系数为k_v。四周对称分布四个倾斜弹簧1，其刚度系数为k_O，倾斜弹簧1的上端与竖直弹簧2在点P处连接。当被隔振设备置于P点时，竖直弹簧1和倾斜弹簧2均被压缩。当弹簧接点P移动至O点时，倾斜弹簧1刚好处于水平位置，被隔振设备的重量完全由竖直弹簧2支撑。在初始状态下，a是倾斜弹簧1下端铰接点与O点的距离，h是P点与O点距离。倾斜弹簧1与水平面的初始夹角为θ₀。

本实用新型的工作原理是：当被隔振设备置于隔振器上时，弹簧接点P移动至静平衡位置O点，只要选择合适的系统参数，可使隔振系统在静平衡位置处(O点)的刚度为零，那么被隔振设备在平衡位置附近做小幅振动时，其动刚度很小，隔振系统的固有频率很低，可达到低频隔振的目的。

如图2所示，隔振系统的弹簧节点P在外力f作用下产生变形x，二者的关系可表示为：

$f=k_{v}x+4k_o(h-x)(\frac{\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ}}{\sqrt{a^2+}{(h-x)}^2}-1)---\left(1\right)$

令y＝x-h，那么式(1)可以表示为：

$f=k_{v}y-{4k}_{o}y(\frac{\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ}}{\sqrt{a^2+y^2}}-1)+k_{v}h---\left(2\right)$

系统刚度可通过对式(2)求导得出：

$K=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dy}}=k_v+4k_o[1-\frac{a^2(\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ})}{{[a^2+y^2]}^{\frac{3}{2}}}]---\left(3\right)$

当y＝0时，令K＝0，可得零刚度条件：即竖直弹簧刚度系数k_v与倾斜弹簧刚度系数k₀、预压缩量δ及系统几何参数a和h的须满足以下关系式：

$k_{\mathrm{vQZS}}=4k_o(\frac{\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ}}{a}-1)---\left(4\right)$

   k_vQZS指系统满足零刚度条件时竖直弹簧的刚度。

准零隔振系统的刚度K_QZS可以表示为：

$K_{\mathrm{QZS}}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dy}}={4k}_o(\frac{\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ}}{a}-1)+{4k}_o[1-\frac{a^2(\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ})}{{[a^2+y^2]}^{\frac{3}{2}}}]---\left(5\right)$

根据竖直弹簧刚度的不同取值，系统刚度K是关于位移y的函数，如图5所示。当k_v＞k_vQZS时，系统刚度均为正，且仅表现出弱非线性；当k_v＜k_vQZS时，倾斜弹簧的负刚度在整体刚度中起到主要作用，系统刚度在y＝0附近表现出负刚度特性；仅当k_v＝k_vQZS时，系统在静平衡位置y＝0处刚度为零。此时，斜弹簧的负刚度和垂直弹簧的正刚度抵消。

当设备置于隔振器上时，将产生静变形，要使静变形与h相等，即设备位于静平衡位置处时，斜弹簧均处于水平位置，设备质量须满足以下关系：

m＝k_vh/g                 (6)

因此，针对任意质量的设备，均可通过设计系统参数，使系统具有准零刚度的特性，从而实现低频隔振。

下面展示准零刚度隔振器隔离基础激励的效果。

在简谐基础激励x_H＝H sinωt(H指基础激励的幅值)作用下，被共振设备会在静平衡位置上下运动，其位移为x，则设备与基础之间的相对位移为y＝x-x_H，根据牛顿第二定律建立运动微分方程

$m\stackrel{\·\·}{y}+c\stackrel{\·}{y}+\frac{2(\sqrt{a^2+h^2}+\mathrm{\δ})\×k_o}{a^3}{y}^3=mH{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\ωt}---\left(7\right)$

引入记号

${\mathrm{\ω}}_0^2=\frac{k_v}{m},$ τ＝ω₀t， $\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{c\ω}}_0}{{2k}_v},$ $\mathrm{\γ}=\frac{2\mathrm{\α}(1+\widehat{\mathrm{\δ}})}{{\hat{a}}^3},$ $\mathrm{\Ω}=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0},$ $\hat{H}=\frac{H}{\sqrt{a^2+h^2}},$ $\hat{f}=\hat{H}{\mathrm{\Ω}}^2---\left(8\right)$ 将运动方程(7)无量纲化

$\stackrel{\·\·}{\hat{y}}+2\mathrm{\ξ}\stackrel{\·}{\hat{y}}+\mathrm{\γ}{\hat{y}}^3=\hat{f}\sin \mathrm{\Ω\τ}---\left(9\right)$

假设系统振动频率由简谐激励频率主导，那么，系统的周期解可设为：

${\hat{y}}_0\left(\mathrm{\τ}\right)=A\sin (\mathrm{\Ω\τ}+\mathrm{\θ})---\left(10\right)$

其中，A指系统周期响应的无量纲幅值。

将式(10)代入运动方程(9)，应用谐波平衡法得幅频和相频关系

${(\frac{3}{4}\mathrm{\γ}{A}^3-{\mathrm{A\Ω}}^2)}^2+{(-2\mathrm{\ξA\Ω})}^2={\left(\hat{H}{\mathrm{\Ω}}^2\right)}^2---\left(11\right)$

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\frac{3}{4}\mathrm{\γ}{A}^3-{\mathrm{A\Ω}}^2}{\hat{H}{\mathrm{\Ω}}^2}---\left(12\right)$

那么，位移传递率可表示为

$T=\frac{\left|x\right|}{\left|x_H\right|}=\frac{\sqrt{A^2+{\hat{H}}^2}+2A\hat{H}\cos \mathrm{\θ}}{\hat{H}}=\sqrt{1+{\left(\frac{A}{\hat{H}}\right)}^2+{2\left(\frac{A}{\hat{H}}\right)}^2\×\frac{\frac{3}{4}\mathrm{\γ}{A}^2-{\mathrm{\Ω}}^2}{{\mathrm{\Ω}}^2}}---\left(13\right)$

从图6、7可以看出，对于不太大的基础激励，本实用新型可实现低频隔振，而且传递率也比相应的线性系统低得多。

针对基础激励，首先需确定其质量，然后确定弹簧的刚度系数，最后调整系统的几何参数h，a，使得式(4)成立，便可得到具有准零刚度的低频隔振器，将设备置于隔振系统上，设备将不会受到基体振动的影响，即实现了隔振的目的。

Claims (3)

1.一种针对基础激励的低频隔振器，包括一根垂直设置的线性弹簧(2)，其特征在于还包括四根结构参数相同的倾斜设置的线性弹簧(1)，四根倾斜设置的线性弹簧(1)顶端与垂直设置的线性弹簧(2)顶端相铰接；四根倾斜设置的线性弹簧(1)底端各与一个支撑基座(3)连接，四个支撑基座(3)分别为水平面上一个正方形(ABCD)的四个顶点，该正方形的对角线与所述垂直设置的线性弹簧(2)的轴线正交于正方形的中心点(O)，中心点(O)到垂直设置的线性弹簧(2)顶端的距离(h)小于倾斜设置的线性弹簧(1)的长度。

2.根据权利要求1所述的针对基础激励的低频隔振器，其特征在于，所述五根线性弹簧上设有导向装置。

3.根据权利要求1所述的针对基础激励的低频隔振器，其特征在于，所述四根倾斜设置的线性弹簧(1)上设有微调装置。

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