本發(fā)明涉及一種低頻或超低頻非線性隔振裝置，具體為一種剪式準零剛度隔振器及其工作方法，適用于汽車、艦船、潛艇等隔振系統(tǒng)中。

背景技術：

汽車的乘坐舒適性直接與駕駛員的疲勞、不舒適以及安全相關。商用車駕駛員經常處于超負荷、惡劣的工作環(huán)境中。駕駛員主要受到高幅值的低頻振動的影響，且人體各主要器官的固有頻率分布在2～7赫茲的低頻區(qū)域，故低頻振動是導致駕駛員健康問題的一個主要原因。傳統(tǒng)的座椅懸架采用的是線性隔振技術，僅在激勵頻率大于固有頻率的倍時才有隔振效果，并且存在固有頻率越低，靜位移越大的矛盾。而具有準零剛度特性的非線性隔振器能在保證不影響靜剛度的前提下實現(xiàn)很低的動剛度，從而降低隔振器的固有頻率，實現(xiàn)低頻隔振。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有的線性隔振器難以隔離低頻振動以及現(xiàn)有的準零剛度隔振器結構復雜、有效行程短的缺點，基于正負剛度并聯(lián)的原理，提出一種剪式準零剛度隔振器及其工作方法。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:

一種剪式準零剛度隔振器，包括支撐基座、正剛度模塊、負剛度模塊和支撐板；

所述正剛度模塊包含至少一個正剛度單元；

所述正剛度單元包含支撐彈簧、導向軸和直線軸承；

所述直線軸承穿過所述支撐基座并固定在所述支撐基座上；

所述導向軸與所述直線軸承相匹配，一端與所述支撐板的下壁固定相連，另一端穿過所述直線軸承，能夠沿所述直線軸承上下滑動；

所述支撐彈簧套在所述導向軸上，一端與所述支撐板固定相連，另一端與所述支撐基座固定相連；

所述負剛度模塊包含第一至第二上支架、第一至第八連桿、第一至第二下支架、第一至第二水平連接軸和至少一根水平彈簧；

所述第一上支架一端與所述支撐板的下壁固定相連，另一端分別與所述第一連桿、第二連桿的一端鉸接；

所述第二上支架一端與所述支撐板的下壁固定相連，另一端分別與所述第三連桿、第四連桿的一端鉸接；

所述第一下支架一端與所述支撐基座固定相連，另一端分別與所述第五連桿、第六連桿的一端鉸接；

所述第二下支架一端與所述支撐基座固定相連，另一端分別與所述第七連桿、第八連桿的一端鉸接；

所述第一連桿、第三連桿、第五連桿、第七連桿的另一端與所述第一水平連接軸鉸接；

所述第二連桿、第四連桿、第六連桿、第八連桿的另一端與所述第二水平連接軸鉸接；

所述水平彈簧的一端與所述第一水平連接軸固定相連，另一端與所述第二水平連接軸固定相連。

作為本發(fā)明一種剪式準零剛度隔振器進一步的優(yōu)化方案，所述正剛度單元的個數為2個，所述水平彈簧的個數為1根。

作為本發(fā)明一種剪式準零剛度隔振器進一步的優(yōu)化方案，剪式準零剛度隔振器處于初始狀態(tài)時，所述第一至第八連桿處于同一平面，剪式準零剛度隔振器在縱向的動剛度為零。

作為本發(fā)明一種剪式準零剛度隔振器進一步的優(yōu)化方案，所述正剛度單元還包含調節(jié)管和支撐管；

所述調節(jié)管和支撐管均為空心圓管，其中，支撐管的外壁上設有螺紋，調節(jié)管的內壁上設有與所述支撐管外壁上螺紋相匹配的螺紋；

所述支撐管與所述直線軸承的上端固定連接；

所述調節(jié)管套接在所述支撐管上，能夠通過旋轉調節(jié)其與支撐基座之間的距離；

所述支撐彈簧的另一端不再與支撐基座固定相連，而是與調節(jié)管上端鉸接。

作為本發(fā)明一種剪式準零剛度隔振器進一步的優(yōu)化方案，所述第一連桿、第五連桿的另一端與所述第一水平連接軸的一端鉸接，所述第三連桿、第七連桿的另一端與所述第一水平連接軸的另一端鉸接；

所述第二連桿、第六連桿的另一端與所述第二水平連接軸的一端鉸接，所述第四連桿、第八連桿的另一端與所述第二水平連接軸的另一端鉸接。

本發(fā)明還公開了基于該剪式準零剛度隔振器的工作方法，包含以下過程：

第一至第八連桿初始狀態(tài)處于水平位置；

當支撐板受力往下運動時，正剛度單元中的支撐彈簧被壓縮，同時，第一至第二上支架往下壓，使得第一至第八連桿將第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的距離拉短，第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的水平彈簧拉伸量變小，第一至第八連桿與水平面成一定角度，從而為縱向提供負剛度；

當支撐板受力往上運動時，正剛度單元中的支撐彈簧被拉伸，同時，第一至第二上支架往上拉，使得第一至第八連桿將第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的距離拉短，第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的水平彈簧拉伸量變小，第一至第八連桿與水平面成一定角度，從而為縱向提供負剛度。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

1.結構簡單、有效行程大；

2.易于加工實現(xiàn)、承載能力高、可靠性強；

3.具有高的靜剛度和低的動剛度，能夠隔離低頻或是超低頻振動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的正面結構示意圖；

圖3為圖2所示裝置放上被隔振設備后的正面結構示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施例水平彈簧預拉伸量與準零剛度系統(tǒng)無量綱剛度的關系曲線；

圖5為針對基礎位移激勵的本發(fā)明隔振器和等效線性系統(tǒng)的絕對位移傳遞率比較圖。

圖中，1-支撐彈簧，2-支撐板，3-水平連接軸，4-連桿，5-上支架，6-水平彈簧，7-調節(jié)管，8-支撐管，9-導向軸，10-直線軸承，11-下支架，12-支撐基座。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明公開了一種剪式準零剛度隔振器，包括支撐基座、正剛度模塊、負剛度模塊和支撐板，正剛度模塊包含至少一個正剛度單元。

正剛度單元包含支撐彈簧、導向軸和直線軸承，其中，直線軸承穿過所述支撐基座并固定在支撐基座上；導向軸與直線軸承相匹配，一端與支撐板的下壁固定相連，另一端穿過直線軸承，能夠沿所述直線軸承上下滑動；支撐彈簧套在導向軸上，一端與支撐板固定相連，另一端與支撐基座固定相連。

負剛度模塊包含第一至第二上支架、第一至第八連桿、第一至第二下支架、第一至第二水平連接軸和至少一根水平彈簧；其中，第一上支架一端與支撐板的下壁固定相連，另一端分別與第一連桿、第二連桿的一端鉸接；第二上支架一端與支撐板的下壁固定相連，另一端分別與第三連桿、第四連桿的一端鉸接；第一下支架一端與支撐基座固定相連，另一端分別與第五連桿、第六連桿的一端鉸接；第二下支架一端與支撐基座固定相連，另一端分別與第七連桿、第八連桿的一端鉸接；第一連桿、第三連桿、第五連桿、第七連桿的另一端與所述第一水平連接軸鉸接；第二連桿、第四連桿、第六連桿、第八連桿的另一端與所述第二水平連接軸鉸接；水平彈簧的一端與第一水平連接軸固定相連，另一端與第二水平連接軸固定相連。

正剛度單元的個數可以采用為一個，也可以采用兩個，或者采用四個也行，具體視情況而論。

水平彈簧的個數為可以是一根，也可以是多根。

為了達到效果最佳，可以選用合適的水平彈簧，使得剪式準零剛度隔振器處于初始狀態(tài)時，第一至第八連桿處于同一平面，剪式準零剛度隔振器在縱向的動剛度為零。

正剛度單元還可以包含調節(jié)管和支撐管，具體如下：

調節(jié)管和支撐管均為空心圓管，其中，支撐管的外壁上設有螺紋，調節(jié)管的內壁上設有與支撐管外壁上螺紋相匹配的螺紋；支撐管與直線軸承的上端固定連接；調節(jié)管套接在所述支撐管上，能夠通過旋轉調節(jié)其與支撐基座之間的距離；支撐彈簧的另一端不再與支撐基座固定相連，而是與調節(jié)管上端鉸接。

如此一來，可以通過調節(jié)管調節(jié)所述支撐板的位置。

負剛度模塊可以對稱設置，第一連桿、第五連桿的另一端與第一水平連接軸的一端鉸接，第三連桿、第七連桿的另一端與第一水平連接軸的另一端鉸接；第二連桿、第六連桿的另一端與第二水平連接軸的一端鉸接，第四連桿、第八連桿的另一端與第二水平連接軸的另一端鉸接。

基于該剪式準零剛度隔振器的工作方法，包含以下過程：

第一至第八連桿初始狀態(tài)處于水平位置；

當支撐板受力往下運動時，正剛度單元中的支撐彈簧被壓縮，同時，第一至第二上支架往下壓，使得第一至第八連桿將第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的距離拉短，第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的水平彈簧拉伸量變小，第一至第八連桿與水平面成一定角度，從而為縱向提供負剛度；

當支撐板受力往上運動時，正剛度單元中的支撐彈簧被拉伸，同時，第一至第二上支架往上拉，使得第一至第八連桿將第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的距離拉短，第一水平連接軸和第二水平連接軸之間的水平彈簧拉伸量變小，第一至第八連桿與水平面成一定角度，從而為縱向提供負剛度。

下面以包含兩個正剛度單元、一根水平彈簧的剪式準零剛度隔振器實例來說明本發(fā)明的工作原理：

設支撐彈簧的剛度為水平彈簧的剛度為k_h，八個連桿的長度均為L。圖2為支撐彈簧處于自由狀態(tài)時隔振器的初始狀態(tài)，此時連桿與水平面間的夾角為α，水平彈簧處于預拉伸狀態(tài)。當被隔振設備置于支撐板時，支撐彈簧被壓縮，上支架帶動兩側的連接軸水平方向運動，于是水平彈簧進一步被拉伸，最終八個連桿與水平面間的夾角為0，處于水平狀態(tài)，該位置正好是被隔振設備的靜平衡位置，此時被隔振設備的重量完全由支撐彈簧承載著，如圖3所示。只要選擇合適的系統(tǒng)參數，可以使得隔振系統(tǒng)在靜平衡位置(八個連桿均水平)的剛度為零，那么被隔振設備在靜平衡位置附近振動時，系統(tǒng)具有很小的動剛度，隔振器的固有頻率很低，從而實現(xiàn)低頻甚至超低頻隔振的目的。

支撐彈簧的剛度為水平彈簧的剛度為k_h，連桿的長度為L。靜平衡位置處，支撐彈簧的壓縮量為Δx＝mg/k_v，水平彈簧拉伸量為d。在垂直方向的力f(x)的作用下，被隔振設備位移為x時，連桿與水平面的夾角為α，此時f(x)與x之間的關系為

f(x)＝mg+f_v-f_htanα (1)

其中：f_v＝k_v(x-Δx)，f_h＝k_h(d-2L(1-cosα))，

力與位移的關系可進一步寫為

令u＝x/L，g＝f/(k_vL)，恢復力可以寫成無量綱形式

其中：β＝k_h/k_v，δ＝d/L。上式對u求導，可以得到剛度的無量綱形式

從上式可以看出，當β和δ滿足一定關系時，隔振器在靜平衡位置的剛度為零。令k(u＝0)＝0，可以得到隔振器準零剛度條件

準零剛度隔振器的恢復力與位移間的關系為

準零剛度隔振器的剛度與位移間的關系為

無量綱剛度k_qzs曲線如圖4所示，δ越大，k_qzs曲線越平坦，小剛度區(qū)間越寬。

當被隔振設備的質量發(fā)生變化時，被隔振設備的靜位移發(fā)生變化，此時可以通過改變調節(jié)管的位置來保證連桿處于水平狀態(tài)。因此，對于任何質量的被隔振設備，均可以通過設計系統(tǒng)的參數，使隔振器具備準零剛度特性，達到低頻隔振的目的。

將恢復力與位移間的關系式(6)在u＝0處進行泰勒展開，可以得到近似表達式，以便后續(xù)動力學分析

其中：γ＝(2-δ_qzs)/(8δ_qzs)。

下面從絕對位移傳遞率的角度來展示剪式準零剛度隔振器隔離基礎振動的效果。

隔振器在簡諧基礎激勵y＝Ycosωt(Y為基礎激勵幅值)作用下，被隔振設備在靜平衡位置附近運動，其位移為x。設被隔振設備與基礎間的相對位移為z＝x-y，根據牛頓第二定律，可以得到被隔振設備運動微分方程

其中：m為被隔振設備的質量，c為隔振系統(tǒng)阻尼系數，f(z)見式(2)。令Ω＝ω/ω₀，τ＝ω₀t，u＝z/L，β＝k_h/k_v，δ＝d/L，Y₁＝Y/L，ζ＝c/(2mω₀)。將式(5)代入上式中可以得到準零剛度隔振器運動微分方程

其中：符號(·)表示關于自變量τ的導數，g_qzs(u)見式(6)。將式(6)用近似表達式(8)代替，得到如下運動微分方程

假設系統(tǒng)的振動頻率由簡諧激勵頻率主導，那么系統(tǒng)的周期解可設為

u＝Acos(Ωτ+θ) (12)

其中：A為被隔振設備周期振動的無量綱幅值，θ為相位。

將式(12)代入式(11)中，應用諧波平衡法得到幅值與頻率間的關系式

相位與頻率間的關系式

那么隔振器的絕對位移傳遞率可表示為

其中：ζ為阻尼比。ζ＝0.1，δ＝1，系數γ＝0.125。

從圖5可以看出，對于不太大的基礎激勵，本發(fā)明可以實現(xiàn)低頻隔振甚至是超低頻隔振，且絕對位移傳遞率比線性系統(tǒng)低得多，實現(xiàn)了隔離基礎振動的目的。

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。