CN203362993U - 具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统。本实用新型包括底座和凹形刚性承载平台，两根导向轴对称固定于底座外圈，凹形刚性承载平台外圈穿过导向轴，碟形弹簧倒置在底座中心轴和凹形刚性承载平台之间，碟形弹簧内径嵌套在底座中心轴上，碟形弹簧外径与凹形刚性承载平台的下表面内圈接触，在碟形弹簧上方的底座中心轴上嵌套轴套，线性弹簧介于轴套和凹形刚性承载平台之间。隔振系统具有结构简单、尺寸较小、重量轻和环境适应性强的优点，适用于小空间内的振动隔离。

Description

具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统

技术领域

本实用新型涉及适用于低频或超低频隔振的一种准零刚度隔振系统；该隔振系统可广泛应用于汽车、船舶、飞机、航空航天器、精密仪器、精密机床加工等领域的隔振缓冲。

背景技术

工业技术的迅猛发展，使人们对隔振系统隔离低频振动提出了更高的要求。低频振动在工程领域内有很大的危害，比如频率在0.5-5Hz范围内的低频振动严重危害人体的生理健康和心理健康，导致工作效率下降；频率在0.5-70Hz的低频振动严重影响精密仪器的可靠性和寿命，还会使精密机床加工的精度严重降低。

目前振动隔离技术主要包括主动隔振、半主动隔振和被动隔振。主动隔振和半主动隔振虽能有效隔离低频振动，但其系统结构复杂，制造成本高，均耗费能源，且有时会不稳定或者引起电磁污染；传统的被动隔振系统在外界干扰频率大于隔振系统固有频率的

倍时，才能起到隔振作用，可较好地隔离中、高频振动，但隔离低频振动尤其是超低频振动的能力较差。为了提高被动隔振系统隔离低频振动的能力，通常有两种方法：一是减小隔振系统的刚度；二是增加承载质量。但对于垂直隔振系统，减小刚度使隔振系统的静态位移增大和稳定性下降；而质量受到结构和空间限制，也不能很大。为了克服系统刚度和静态位移之间的矛盾，隔振系统应同时具有较高的静态刚度和较低的动态刚度，较高的静态刚度保证系统承载能力较大，静态位移较小；较低的动态刚度保证系统固有频率较低，低频隔振效果较好。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的不足，提供了一种具有较高的静态刚度和较低的动态刚度的具有准零刚度（QZS）的单自由度垂直隔振系统。

本实用新型具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统，包括底座和凹形刚性承载平台，两根导向轴对称固定于底座外圈，凹形刚性承载平台外圈穿过导向轴，碟形弹簧倒置在底座中心轴和凹形刚性承载平台之间，碟形弹簧内径嵌套在底座中心轴上，碟形弹簧外径与凹形刚性承载平台的下表面内圈接触，在碟形弹簧上方的底座中心轴上嵌套轴套，线性弹簧介于轴套和凹形刚性承载平台之间。

该隔振系统具有结构简单、尺寸较小、重量轻和环境适应性强的优点，适用于小空间内的振动隔离。同时，该隔振系统不仅解决了传统线性隔振系统隔离低频或超低频振动时的难题，还避免了采用主动和半主动隔振其结构复杂、制作成本高和耗费能源等缺点。

本实用新型采用碟形弹簧和线性弹簧并联形成具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统，最大的特色在于利用碟形弹簧的刚度非线性，在一定变形范围内，将碟形弹簧作为负刚度元件与正刚度的线性弹簧并联，实现该隔振系统在其平衡位置的准零刚度和平衡位置附近的刚度非线性。

由以上可知，本实用新型为一种具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统，它具有较高的静态刚度和较低的动态刚度，承载能力大，静态变形小，隔振起始频率低，隔振频率范围大和振动传递率小的优点，因而具有良好的低频或超低频隔振效果。同时，该隔振系统具有结构简单、尺寸较小、重量轻和环境适应性强的优点，适用于小空间内的振动隔离。本实用新型为具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统，它不仅解决了传统线性隔振系统在隔离低频或超低频振动时的难题，还避免了采用主动和半主动隔振其结构复杂、制作成本高和耗费能源等缺点。

附图说明

图1是本实用新型的原理结构示意图；

图2是图1所示系统加载被隔振物体后的原理结构示意图；

图3是当β＞β_QZS,β＜β_QZS和β＝β_QZS时，该隔振系统的无量纲刚度位移曲线；

图4是具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统及其等效线性系统的力传递率比较；

图5是具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统及其等效线性系统的位移传递率比较。

在图中，1—底座，2—凹形刚性承载平台，3—导向轴，4—碟形弹簧，5—轴套，6——线性弹簧。

具体实施方式

以下是对本实用新型做出的进一步说明。

图1所示是在零载荷条件下该隔振系统的初始状态。线性弹簧6的刚度系数为k_v，碟形弹簧4的外径为D，内径为d，厚度为δ，外径与内径的比值为C，弹性模量为E，泊松比为μ，内锥高为h₀。当一个适当重量的被隔振物体放置于凹形刚性承载平台2时，被隔振物体和凹形刚性承载平台2沿导向轴3向下运动，线性弹簧6和碟形弹簧4均被压缩。被隔振物体的重量使得碟形弹簧刚好处于压平状态，此时被隔振物体向下运动的位移为h₀，线性弹簧6的变形量和碟形弹簧4的轴向变形量也为h₀。同时，这个位置也刚好是被隔振物体的平衡位置，如图2所示。

本实用新型的工作原理是（参见图1和图2），当被隔振物体放置于凹形刚性承载平台后，在碟形弹簧处于压平状态的时候达到静力平衡。因此，只要通过选择合适的系统参数，使得在此平衡位置时，隔振系统的刚度为零，则被隔振物体在平衡位置做小幅值振动时，其动态刚度很小，隔振系统的固有频率很低，从而达到低频隔振的目的。

如图1所示，忽略凹形刚性承载平台的质量，整个系统在外力f作用下，其无量纲力学关系表达式为

其中

高厚比 $\mathrm{\α}=\frac{h_0}{\mathrm{\δ}},$ 定义的刚度比 $\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\δ}}^3}{k_{v}a{D}^2},$ $a=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\left(\frac{C-1}{C}\right)}^2}{\frac{C+1}{C-1}-\frac{2}{\ln C}}\frac{1-{\mathrm{\μ}}^2}{4E}$

设

式（1）可以化为

隔振系统的刚度可以通过对式（2）的求导得出：

其中

令时，系统刚度可以得到该隔振系统物理参数的关系式：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{QZS}}=\frac{2}{{\mathrm{\α}}^2-2}---\left(4\right)$

化简得

$k_{v-\mathrm{QZS}}=\frac{{\mathrm{\δ}}^3({\mathrm{\α}}^2-2)}{2a{D}^2}---\left(5\right)$

整个系统的刚度可以表示为

隔振系统的刚度位移曲线如图3所示，当β＞β_QZS，即k_v＜k_v-QZS时，隔振系统在平衡位置

时表现出负刚度特性；当β＜β_QZS，即k_v＞k_v-QZS时，隔振系统的整体刚度都是正刚度；当β＝β_QZS，即k_v＝k_v-QZS时，隔振系统在平衡位置

时的刚度值为零。此时，碟形弹簧产生的负刚度刚好被线性弹簧产生的正刚度抵消掉。

当一个适当重量的被隔振物体放置于凹形刚性承载平台时，碟形弹簧刚好处于压平状态，而且在此平衡位置时，隔振系统刚度为零，那么被隔振物体的质量可以表示为：

$m=\frac{h_0^3}{h_0^2-{\mathrm{\δ}}^2}\frac{k_v}{g}---\left(7\right)$

通过上式，对于某一确定质量的被隔振物体，我们可以通过适当地选择碟形弹簧几何参数和线性弹簧刚度，实现系统的准零刚度特性，从而设计出具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统。

下面将展示具有准零刚度的单自由度隔振系统的隔振性能。通过该隔振系统的力传递率和位移传递率来评价其隔振性能，采用谐波平衡法来研究其动力学特性。

若该隔振系统的阻尼系数为c，当被隔振物体受到简谐激振力f_e＝f₀cos(ωt)的作用时或着当底座受到简谐激振位移z_e＝z₀cos(ωt)的作用时，则被隔振物体在平衡位置附近做上下运动，位移分别为u和y，其无量纲运动微分方程分别为：

（8a）和（8b）可以统一表示为

其中τ＝ω_nt， $\mathrm{\Ω}=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n},$ ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{k_{v-\mathrm{QZS}}}{m}},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{c}{2{\mathrm{m\ω}}_n},$

其中a₀是激振力和激振位移的幅值，当系统在激振力作用时，λ＝1，

当系统在激振位移作用时，λ＝Ω²，

设方程（9）的解为：

则系统的力传递率和位移传递率分别为：

该隔振系统的等效线性隔振系统的传递率为

$T=\sqrt{\frac{1+4{\mathrm{\ξ}}^2{\mathrm{\Ω}}^2}{{(1-{\mathrm{\Ω}}^2)}^2+4{\mathrm{\ξ}}^2{\mathrm{\Ω}}^2}}---\left(11\right)$

从图4和图5可以看出，如果取适当的激振幅值，本实用新型设计的隔振系统其隔振起始频率比线性隔振系统要低得多，隔振频率范围更大。同时，在很大的频率范围内，其传递率的幅值也比线性系统低得多，从而为低频或超低频的隔振提供了一种设计方法。

参见图1，所述具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统包括底座1和凹形刚性承载平台2，凹形刚性承载平台2通过导向轴3进行限位，只能在垂向上下运动，碟形弹簧4倒置在底座1和凹形刚性承载平台2之间，其内径嵌套在底座1上，外径与凹形刚性承载平台2的下表面接触，在碟形弹簧4上方，一个轴套5嵌套在底座1上，线性弹簧6介于轴套5和凹形刚性承载平台2之间，从而使碟形弹簧4和线性弹簧6并联，实现该具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统。

Claims (1)

1.一种具有准零刚度的单自由度垂直隔振系统，其特征是，包括底座和凹形刚性承载平台，两根导向轴对称固定于底座外圈，凹形刚性承载平台外圈穿过导向轴，碟形弹簧倒置在底座中心轴和凹形刚性承载平台之间，碟形弹簧内径嵌套在底座中心轴上，碟形弹簧外径与凹形刚性承载平台的下表面内圈接触，在碟形弹簧上方的底座中心轴上嵌套轴套，线性弹簧介于轴套和凹形刚性承载平台之间。

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