高線性度準零剛度隔振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供高線性度準零剛度隔振器，包括支撐板、上下框架、八組水平彈簧機構(gòu)、八組連桿機構(gòu)、一組三永磁體機構(gòu)、四組垂向支撐機構(gòu)以及底座，支撐板上加工有安裝孔，上框架安裝有四組水平彈簧機構(gòu)，與支撐板之間采用螺栓連接；下框架上安裝有四組水平彈簧機構(gòu)，通過四組垂向支撐機構(gòu)與底座連接；上下框架之間采用螺栓連接；八組水平彈簧機構(gòu)與三永磁體機構(gòu)之間安裝有連桿機構(gòu)，采用銷連接；上下框架連接處中部設(shè)計有凹槽，用以固定三永磁體機構(gòu)的中永磁體。本發(fā)明實現(xiàn)了主要非線性剛度項的抵消，確保了準零剛度隔振器的高線性度，高線性度的實現(xiàn)使得準零剛度的動力學行為更加穩(wěn)定，隔振性能更優(yōu)，可更好的用于振動的控制。
【專利說明】
高線性度準零剛度隔振器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種隔振裝置，具體地說是可用于低頻隔振領(lǐng)域的隔振裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年，準零剛度隔振器因其優(yōu)異的高靜態(tài)剛度、低動態(tài)剛度特性得到了越來越 多的關(guān)注，實現(xiàn)準零剛度的方式亦多種多樣，其中較為典型的方法有:機械彈簧式、永磁體 式、橡膠彈黃式以及電磁鐵式（[1]R.A. Ibrahim. "Recent advances in nonlinear passive vibration isolators."J.Sound Vib,2008)。然而，上述這些方案所實現(xiàn)的準零 剛度特性往往存在線性度差的問題，換言之，其在實現(xiàn)準零剛度特性的同時不得不附加一 些非線性剛度，且有時所附加的非線性很強。
[0003] 公開為CN 102606673 B的專利給出了一種利用受壓水平彈簧來實現(xiàn)負剛度的準 零剛度彈簧隔振器結(jié)構(gòu)，指出該結(jié)構(gòu)存在承重不可調(diào)的缺點，并給出了一種利用電磁彈簧 技術(shù)的承重可調(diào)準零剛度電磁隔振器及其控制方法。分析該專利所給出理論推導及剛度曲 線可以看出：該專利在實現(xiàn)準零剛度的同時明顯會附加一些非線性剛度，且所附加的非線 性特性在偏離靜平衡位置較大時更為明顯。
[0004] 公開號為CN 104033535 B的專利綜合利用機械彈簧式以及永磁體式準零剛度技 術(shù)的同時加以輔助調(diào)節(jié)裝置，提出了一款適用于低頻振動的三維隔振裝置。所涉及水平單 一方向上永磁體式準零剛度結(jié)構(gòu)包括三個在同一直線上呈等間距布置，且中間滑動磁鐵與 上下固定磁鐵之間呈相互吸引布置。已有研究指出，該種永磁體式準零剛度技術(shù)在實現(xiàn)的 同時會引入立方非線性剛度，其動力學行為更加復雜（[2]A.Carrella."0n the design of a high-static-low-dynamic stiffness isolator using linear mechanical springs and magnets."J.Sound Vib，2008)〇
[0005] 綜上所述，非線性(尤其是強非線性)的存在不但會對系統(tǒng)的動力學特性產(chǎn)生非常 大的影響，并且使其在主動控制領(lǐng)域非常難于控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供實現(xiàn)主要非線性剛度項相互抵消的高線性度準零剛度隔 振器。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明高線性度準零剛度隔振器，其特征是:包括支撐板、上框架、下框架、底座、 中心軸、水平彈簧機構(gòu)，上框架和下框架固定在一起，支撐板固定在上框架上方，底座設(shè)置 在下框架下方，下框架與底座之間設(shè)置彈簧，上框架的中心通過上永磁體安裝蓋和上永磁 體安裝座安裝上永磁體，下框架的中心通過下永磁體安裝蓋和底座安裝下永磁體，上框架 和下框架配合處固定中永磁體，中心軸下端固定在底座上，中心軸上端依次穿過下永磁體、 中永磁體、上永磁體，中心軸分別與下永磁體和上永磁體固定，中心軸與中永磁體之間通過 軸承配合，中心軸上套有上機械彈簧和下機械彈簧，上機械彈簧設(shè)置在上永磁體和中永磁 體之間，下機械彈簧設(shè)置在中永磁體和下永磁體之間；
[0009] 上框架以上永磁體為中心伸出第一-第四上懸臂梁，下框架以下永磁體為中心伸 出第一-第四下懸臂梁，所述水平彈簧機構(gòu)包括第一水平彈簧單元和第二水平彈簧單元，第 一水平彈簧單元包括彈簧安裝座、滑塊、直線導軌、連桿機構(gòu)，彈簧安裝座里安裝水平彈簧， 水平彈簧連接滑塊，滑塊安裝在直線導軌上，連桿機構(gòu)包括第一連桿、第二連桿以及安裝在 第一連桿和第二連桿之間的兩個滾動軸承，第一銷軸和第二銷軸均穿過第一連桿和第二連 桿，并分別與一個滾動軸承相配合，第二水平彈簧單元與第一水平彈簧單元結(jié)構(gòu)相同；第一 上懸臂梁上安裝第一水平彈簧單元，第一水平彈簧單元的彈簧安裝座和直線導軌與第一上 懸臂梁相連，第一銷軸安裝在滑塊上，第二銷軸安裝在上永磁體安裝座上，第一連桿和第二 連桿頂在滑塊上并推動滑塊移動，第二-第四上懸臂梁上也安裝第一水平彈簧單元，其安裝 方式與第一上懸臂梁相同；第一下懸臂梁上安裝第二水平彈簧單元，第二水平彈簧單元的 彈簧安裝座和直線導軌與第一下懸臂梁相連，第一銷軸安裝在滑塊上，第二銷軸安裝在底 座上，第一連桿和第二連桿頂在滑塊上并推動滑塊移動，第二-第四下懸臂梁上也安裝第二 水平彈簧單元，其安裝方式與第一下懸臂梁相同。
[0010] 本發(fā)明還可以包括：
[0011] 1、彈簧安裝座里設(shè)置導槽，導槽里安裝調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母與水平彈簧相連，調(diào)節(jié) 螺母里安裝調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓伸出端與彈簧安裝座之間安裝推力軸承。
[0012] 2、中永磁體與上永磁體和下永磁體皆呈極性相吸布置。
[0013] 3、下框架與底座之間的彈簧內(nèi)部裝有導向軸，導向軸的下端與底座固定，導向軸 的上端穿過下框架并與下框架配合，導向軸與下框架配合處安裝直線軸承。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)勢在于:本發(fā)明針對現(xiàn)有準零剛度隔振器在實現(xiàn)準零剛度時不得不引 入非線性剛度項這一技術(shù)問題，綜合利用具有漸硬剛度特性的機械彈簧式準零剛度結(jié)構(gòu)以 及具有漸軟剛度特性的永磁體式準零剛度結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)主要非線性剛度 項的相互抵消，最終提供一種高線性度準零剛度隔振器，同時給出了其機構(gòu)參數(shù)需要滿足 的一些必要條件，實現(xiàn)更寬的隔振頻帶，增強低頻隔振能力及動力學穩(wěn)定性。
[0015] 本發(fā)明首次提出了一種綜合利用分別具有漸硬與漸軟特性的準零剛度結(jié)構(gòu)的準 零剛度隔振器，并通過合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)了主要非線性剛度項的抵消，確保了準零剛 度隔振器的高線性度，這一點是現(xiàn)有發(fā)明所做不到的。高線性度的實現(xiàn)使得準零剛度的動 力學行為更加穩(wěn)定，隔振性能更優(yōu)，可更好的用于振動問題(尤其是低頻振動領(lǐng)域)的控制。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明正等測圖；
[0018]圖3為本發(fā)明剖視圖；
[0019]圖4為上框架正三軸測圖；
[0020]圖5為下框架正三軸測圖；
[0021]圖6為水平彈簧機構(gòu)正三軸測圖；
[0022]圖7為連桿機構(gòu)爆炸圖；
[0023]圖8為三永磁體機構(gòu)正三軸測圖；
[0024]圖9為垂向支撐機構(gòu)半剖圖；
[0025]圖10為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的力-位移曲線圖；
[0026]圖11為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的剛度-位移曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：
[0028]結(jié)合圖1-11，本發(fā)明高線性度準零剛度隔振器，包括支撐板1、上下框架、八組水平 彈簧機構(gòu)、八組連桿機構(gòu)、一組三永磁體機構(gòu)、四組垂向支撐機構(gòu)以及底座22。支撐板1上加 工有安裝通孔，用于支撐被隔振物體，并通過螺栓與上框架14連接。八組水平彈簧機構(gòu)分別 安裝于上下框架所伸出的懸臂梁之上，上框架14與下框架21各安裝四組，水平彈簧機構(gòu)與 三永磁體機構(gòu)之間設(shè)計有連桿機構(gòu)，通過銷連接。上框架14與下框架21之間采用螺栓固定， 兩者配合處設(shè)計有凹槽，用以固定三永磁體機構(gòu)的中永磁體17。此外，下框架21與底座22之 間設(shè)計有四組垂向支撐機構(gòu)，用以提供正剛度支撐。需要說明的是，上框架14與下框架21皆 采用不導磁的304不銹鋼加工制作，避免對中永磁體17的磁場分布產(chǎn)生影響。
[0029]圖6為本發(fā)明高線性度準零剛度隔振器中水平彈簧機構(gòu)的正三軸測圖。所述水平 彈簧機構(gòu)包括彈簧安裝座2、調(diào)整螺栓10、推力軸承11、調(diào)節(jié)螺母12、機械彈簧9、滑塊15以及 直線導軌16。機械彈簧9在工作時始終處于壓縮狀態(tài)，其一端固定于彈簧安裝座2卡槽內(nèi)的 調(diào)節(jié)螺母12之上，另一端隨滑塊15而沿著直線導軌16單向自由移動。彈簧安裝座2和直線導 軌16皆通過螺栓與上下框架的懸臂梁相連接。此外，為實現(xiàn)機械彈簧9固定端位置的人工可 調(diào)節(jié)，彈簧安裝座2內(nèi)部設(shè)計有調(diào)整螺栓10、推力軸承11以及調(diào)節(jié)螺母12等部件，調(diào)節(jié)螺母 12卡于彈簧安裝座2的導槽之中，用以抵住機械彈簧9,同時與調(diào)節(jié)螺栓10之間通過螺紋配 合;調(diào)節(jié)螺栓10與彈簧安裝座2之間安裝有推力軸承11，用以減少兩者之間的摩擦力；調(diào)節(jié) 螺栓10上加工有十字通孔，當調(diào)節(jié)螺栓10轉(zhuǎn)動時，帶動調(diào)節(jié)螺母12水平位置的變化，進而可 實現(xiàn)機械彈簧9固定端位置的可調(diào)。
[0030]圖7為本發(fā)明高線性度準零剛度隔振器中連桿機構(gòu)的爆炸圖。所述連桿機構(gòu)包括 第一連桿6、滾動軸承7以及第二連桿8。第一連桿6與第二連桿8之間并排緊貼連接，兩者通 過螺栓予以固定;滾動軸承7安裝于第一連桿6與第二連桿8之間的凹槽之內(nèi)，用以盡可能減 少連桿工作時與銷之間的摩擦力。
[0031]圖8為本發(fā)明高線性度準零剛度隔振器中三永磁體機構(gòu)的正三軸測圖。所述三永 磁體機構(gòu)包括上永磁體3、上永磁體安裝蓋4、上永磁鐵安裝座5、中心軸13、機械彈簧18、中 永磁體17、下永磁體19、下永磁體安裝蓋20以及底座22。上永磁體安裝蓋4與上永磁體安裝 座5之間通過螺栓連接，用以固定上永磁體3;下永磁體安裝蓋20與底座22之間通過螺栓連 接，用以固定下永磁體19;中永磁體17固定于上下框架之間的凹槽之內(nèi)，與上下永磁體皆呈 極性相吸布置并在之間安裝有銅質(zhì)機械彈簧18。中心軸13自上而下依次穿過上述部件，與 上永磁體安裝蓋4和底座22通過螺栓連接予以固定。需要說明的是，上下永磁體所接觸零部 件皆采用不導磁的304不銹鋼加工制作，避免對其磁場分布產(chǎn)生影響。
[0032]圖9為本發(fā)明高線性度準零剛度隔振器中垂向支撐機構(gòu)的半剖圖。所述垂向支撐 機構(gòu)包括直線軸承24、導向軸25以及機械彈簧23。機械彈簧23通過彈簧座安裝于下框架21 與底座22之間，用于支撐被隔振物體;機械彈簧23內(nèi)部安裝有導向軸25,用以保證隔振器在 應用時不會發(fā)生側(cè)偏；導向軸25的下端通過螺栓與底座22固定，其上端穿過下框架21上的 通孔;下框架21與導向軸25連接處安裝有直線軸承24,用以降低兩者之間的摩擦力。
[0033] 如圖1、2所示，被隔振物體置于支撐板1上，上框架14和下框架21產(chǎn)生位移，機械彈 簧23產(chǎn)生緩沖作用，上永磁體3和下永磁體19位置不變，中永磁體17隨上框架14和下框架21 沿中心軸13移動，上永磁體3、中永磁體17、下永磁體19之間的彈簧18被壓縮或拉伸，第一連 桿6和第二連桿8繞第一銷軸和第二銷軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而對水平彈簧產(chǎn)生力的作用。
[0034] 高線性度準零剛度隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法為：
[0035] 1、對圖1所示的高線性度準零剛度隔振器模型進行受力分析，系統(tǒng)彈性恢復力合 力f為：
[0037]其中，f表示系統(tǒng)彈性恢復力合力，X表示系統(tǒng)相對靜平衡位置的偏移量，kvl表示垂 向支撐結(jié)構(gòu)中機械彈簧的剛度大小，kv2表示三永磁體機構(gòu)中機械彈簧的剛度大小，kh表示 水平彈簧機構(gòu)中機械彈簧的剛度大小，b表示連桿與三永磁體機構(gòu)連接端到水平彈簧機構(gòu) 中機械彈簧的固定端的距離，1。表示水平彈簧機構(gòu)中機械彈簧的原長度，a表示連桿有效長 度，d表示系統(tǒng)處于靜平衡位置時中永磁體與上下永磁體的距離，(^表示可由實驗測定的磁 常數(shù)。
[0038] 2、為便于后續(xù)分析，規(guī)定所有垂向彈簧的剛度大小皆為kv，即kvl = kv2 = kv，并對彈 性恢復力f的表達式進行無量綱化處理，可得無量綱恢復力/為：
[0043]需要說明的是，/、?、μ、?、λ和δ均代表無量化參數(shù)，Xs為彈簧處于原長時隔振系 統(tǒng)偏離靜平衡位置的距離。
[0044] 3、利用泰勒展開對無量綱恢復力/在靜平衡位置(i = 0 )處展開，可得：
[0049] 4、由準零剛度條件(α = 0)得：
[0051]當隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)依照該式確定時，隔振系統(tǒng)具有準零剛度特性。
[0052] 5、由高線性度條件(β = 0)得：
[0054]當隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)依照該式確定時，隔振系統(tǒng)可實現(xiàn)極高的線性度。
[0055] 6、綜合考慮步驟4與步驟5,確定實現(xiàn)準零剛度以及高線性度時隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)之 間應該滿足的關(guān)系。
[0056] 圖10、圖11分別為高線性度準零剛度隔振器在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)δ下的力特性曲線與 剛度特性曲線。固定參數(shù)為μ=1，λ = 0.5,/ = 0.5，:滿足如步驟4所示準零剛度條件。通過圖 10、圖11可以看出，當隔振器滿足步驟5所確定的高線性度條件時（即δ = 〇.5,如兩圖中的實 線所示)時，系統(tǒng)非線性得到了極大的降低，可實現(xiàn)高線性準零剛度特性;否則，系統(tǒng)非線性 無法得到消除。
【主權(quán)項】
1. 高線性度準零剛度隔振器，其特征是:包括支撐板、上框架、下框架、底座、中心軸、水 平彈簧機構(gòu)，上框架和下框架固定在一起，支撐板固定在上框架上方，底座設(shè)置在下框架下 方，下框架與底座之間設(shè)置彈簧，上框架的中心通過上永磁體安裝蓋和上永磁體安裝座安 裝上永磁體，下框架的中心通過下永磁體安裝蓋和底座安裝下永磁體，上框架和下框架配 合處固定中永磁體，中心軸下端固定在底座上，中心軸上端依次穿過下永磁體、中永磁體、 上永磁體，中心軸分別與下永磁體和上永磁體固定，中心軸與中永磁體之間通過軸承配合， 中心軸上套有上機械彈簧和下機械彈簧，上機械彈簧設(shè)置在上永磁體和中永磁體之間，下 機械彈簧設(shè)置在中永磁體和下永磁體之間； 上框架以上永磁體為中心伸出第一-第四上懸臂梁，下框架以下永磁體為中心伸出第 一-第四下懸臂梁，所述水平彈簧機構(gòu)包括第一水平彈簧單元和第二水平彈簧單元，第一水 平彈簧單元包括彈簧安裝座、滑塊、直線導軌、連桿機構(gòu)，彈簧安裝座里安裝水平彈簧，水平 彈簧連接滑塊，滑塊安裝在直線導軌上，連桿機構(gòu)包括第一連桿、第二連桿以及安裝在第一 連桿和第二連桿之間的兩個滾動軸承，第一銷軸和第二銷軸均穿過第一連桿和第二連桿， 并分別與一個滾動軸承相配合，第二水平彈簧單元與第一水平彈簧單元結(jié)構(gòu)相同；第一上 懸臂梁上安裝第一水平彈簧單元，第一水平彈簧單元的彈簧安裝座和直線導軌與第一上懸 臂梁相連，第一銷軸安裝在滑塊上，第二銷軸安裝在上永磁體安裝座上，第一連桿和第二連 桿頂在滑塊上并推動滑塊移動，第二-第四上懸臂梁上也安裝第一水平彈簧單元，其安裝方 式與第一上懸臂梁相同；第一下懸臂梁上安裝第二水平彈簧單元，第二水平彈簧單元的彈 簧安裝座和直線導軌與第一下懸臂梁相連，第一銷軸安裝在滑塊上，第二銷軸安裝在底座 上，第一連桿和第二連桿頂在滑塊上并推動滑塊移動，第二-第四下懸臂梁上也安裝第二水 平彈簧單元，其安裝方式與第一下懸臂梁相同。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性度準零剛度隔振器，其特征是：彈簧安裝座里設(shè)置導 槽，導槽里安裝調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母與水平彈簧相連，調(diào)節(jié)螺母里安裝調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓 伸出端與彈簧安裝座之間安裝推力軸承。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高線性度準零剛度隔振器，其特征是：中永磁體與上永磁 體和下永磁體皆呈極性相吸布置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高線性度準零剛度隔振器，其特征是：下框架與底座之間 的彈簧內(nèi)部裝有導向軸，導向軸的下端與底座固定，導向軸的上端穿過下框架并與下框架 配合，導向軸與下框架配合處安裝直線軸承。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高線性度準零剛度隔振器，其特征是:下框架與底座之間的彈 簧內(nèi)部裝有導向軸，導向軸的下端與底座固定，導向軸的上端穿過下框架并與下框架配合， 導向軸與下框架配合處安裝直線軸承。
【文檔編號】F16F15/067GK106090115SQ201610423635
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201610423635.1, CN 106090115 A, CN 106090115A, CN 201610423635, CN-A-106090115, CN106090115 A, CN106090115A, CN201610423635, CN201610423635.1
【發(fā)明人】劉學廣, 韓超, 吳牧云
【申請人】哈爾濱工程大學