可调节负刚度系统的制作方法

本公开大体上涉及负刚度机构，并且更具体地说，涉及可调节负刚度机构。

背景技术：

各种非线性结构展现负机械刚度，例如突弹跳变横杆和屈曲横杆。还可通过具有经钉扎或夹固边界的弹簧和/或横杆的各种组合和布置来展现负刚度。例如，可归因于组件中的一个的过度旋转或组件之间的滚动或滑动接触而展现负刚度。负刚度机构适用于各种应用，包含隔振、减震和信号处理。

此外，许多相关技术负刚度机构通过使用较高阶模式屈曲横杆实现高度隔离的行进和接近线性的负刚度。然而，使用较高阶模式屈曲横杆限制改变负刚度(在一阶横杆弯曲情况下为可能的)的能力且限制形成可广泛调节正弹簧组件的能力。例如，当横杆屈曲时，其展现高负刚度，且当横杆未屈曲时，其展现正刚度。然而，归因于较高模式屈曲的性质，负刚度通常与横杆压缩量无关，并且因此将常规负刚度机构限于最多两个状态(即，许多相关技术负刚度机构可在仅两个负刚度状态-开和关之间切换)。换句话说，许多相关技术负刚度机构不被配置成在多个负刚度状态之间切换或变化。相比之下，并有被配置成在多个状态之间切换的横杆的装置将由于完整装置刚度为所有横杆的总和而允许装置展现多个值的负刚度。

技术实现要素：

本公开涉及可变刚度结构的各种实施例。在一个实施例中，所述可变刚度结构包含被配置成在第一方向上屈曲的第一负刚度元件、被配置成在与所述第一方向相反的第二方向上屈曲的第二负刚度元件，及以操作方式联接到所述第一与第二负刚度元件的端以控制所述可变刚度结构的刚度的致动器。所述第一负刚度元件和所述第二负刚度元件为模式-3屈曲横杆。所述第一负刚度元件可包含至少两个负刚度屈曲横杆的第一堆叠，且所述第二负刚度元件可包含至少两个负刚度屈曲横杆的第二堆叠。所述可变刚度结构还可包含所述第一堆叠的邻近负刚度屈曲横杆之间的至少一个第一间隔物和所述第二堆叠的邻近负刚度屈曲横杆之间的至少一个第二间隔物。所述可变刚度结构还可包含所述第一堆叠的所述负刚度屈曲横杆中最内的一个和所述第二堆叠的所述负刚度屈曲横杆中最内的一个之间的至少一个弹性元件。

本公开还涉及可调节负刚度系统的各种实施例。在一个实施例中，所述可调节负刚度系统包含中心轴、围绕所述中心轴径向布置的一系列负刚度构件，和致动器。每个负刚度构件被配置成在未屈曲状态和屈曲状态之间移动。所述致动器被配置成与所述负刚度构件的外端接合以在所述未屈曲状态和所述屈曲状态之间选择性地移动负刚度构件的对置对。所述致动器可包含具有可围绕所述中心轴旋转且环绕所述一系列负刚度构件的所述外端的内向凸轮表面的凸轮。所述凸轮的旋转被配置成在所述未屈曲状态和所述屈曲状态之间依序移动负刚度构件的对置对。所述凸轮的所述内向凸轮表面在圆周方向上可具有非正弦形状或不规则形状。

所述内向凸轮表面可包含被配置成使所述负刚度构件屈曲的一系列压缩区段和被配置成不使所述负刚度构件屈曲的一系列松弛区段。所述一系列压缩区段中的每个压缩区段可在与所述中心轴的纵向轴线间隔开第一径向距离的第一端和与所述纵向轴线间隔开小于所述第一径向距离的第二径向距离的第二端之间非线性地转变。所述一系列压缩区段中的每个压缩区段可与所述中心轴的纵向轴线间隔开基本上恒定的第一径向距离，且所述一系列松弛区段中的每个松弛区段可与所述中心轴的所述纵向轴线间隔开大于所述第一径向距离的基本上恒定的第二径向距离。所述凸轮的所述内向凸轮表面可被配置成使得所述凸轮围绕所述中心轴的从大致(约)15度到大致(约)45度的角度的旋转使至少一对对置负刚度构件在所述未屈曲状态和所述屈曲状态之间移动(变化)。

第一对对置负刚度构件可具有不同于第二对对置负刚度构件的配置。所述致动器可包含一系列凸轮且所述一系列凸轮中的每个凸轮可与所述一系列负刚度构件中的一个的外端接合。所述致动器可包含联接到第一对对置负刚度构件的第一对致动器、联接到第二对对置负刚度构件的第二对致动器、联接到所述第一对致动器的第一阀，和联接到所述第二对致动器的第二阀。所述第一与第二阀各自被配置成在打开位置和关闭位置之间移动。当所述第一阀处于打开位置时，所述第一对致动器将所述第一对对置负刚度构件移动到屈曲位置中。当所述第二阀处于打开位置时，所述第二对致动器将所述第二对对置负刚度构件移动到屈曲位置中。所述第一和第二对致动器可以是任何合适类型的致动器，例如液压致动器、气动致动器、电磁致动器、热致动器、压电致动器，和/或机械致动器。所述可调节负刚度系统还可包含联接到所述第一和第二对致动器的电源。

根据本公开的另一实施例的可调节负刚度系统包含底座、联接到所述底座且沿着一方向布置的一系列负刚度构件，和具有一系列区域的可旋转凸轮。所述一系列负刚度构件中的每个负刚度构件被配置成在未屈曲状态和屈曲状态之间移动。每个区域具有凸轮表面，所述凸轮表面被配置成与所述负刚度构件中的一个的与所述底座相对的端接合以使所述负刚度构件在所述未屈曲状态和所述屈曲状态之间移动。所述可调节负刚度系统可包含被配置成有助于所述可旋转凸轮的手动旋转的曲轴和/或被配置成使所述可旋转凸轮旋转的马达。所述凸轮的第一区域的第一凸轮表面相较于所述凸轮的第二区域的第二凸轮表面可以相同或不同。所述可调节负刚度系统可包含联接到所述一系列负刚度构件的一系列抗拉构件。

提供此发明内容是为了引入一系列概念，所述概念在以下具体实施方式中进一步加以描述。本发明内容并不意图识别所要求的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来限制所要求的主题的范围。所描述特征中的一个或多个可与一个或多个其它所描述特征组合以提供可工作装置。

附图说明

通过参考以下结合下图进行的详细描述将更加清楚地了解本公开的实施例的这些和其它特征以及优点。在图式中，相同参考数字贯穿各图用以指代相同特征和组件。图未必按比例绘制。

图1a到1c为根据本公开的一个实施例的分别处于第一状态、第二状态和第三状态的可调节负刚度系统的俯视图；

图2a到2e为根据本公开的另一实施例的分别处于第一状态、第二状态、第三状态、第四状态和第五状态的可调节负刚度系统的俯视图；

图3a到3b分别为根据本公开的一个实施例的可调节负刚度系统的俯视图和侧视图；

图3c为描绘图3a到3b中所说明的可调节负刚度系统的根据实施例的凸轮的凸轮路径的曲线图；

图3d为图3a到3b中所说明的可调节负刚度系统的实施例的刚度特性的曲线图；

图4a到4c为根据本公开的另一实施例的分别处于第一状态、第二状态和第三状态的可调节负刚度系统的俯视图；

图5a为根据本公开的一个实施例的突弹跳变屈曲横杆类型可变刚度结构的示意图；

图5b为说明图5a的处于中间位置和第一偏转位置的突弹跳变屈曲横杆类型可变刚度结构的实施例的示意图；且

图5c为说明图5a的处于中间位置和第二偏转位置的突弹跳变屈曲横杆类型可变刚度结构的实施例的示意图。

具体实施方式

本公开涉及可调节负刚度系统的各种实施例。取决于负刚度系统的预期目标或功能，本公开的负刚度系统可并入到任何所要结构或装置中，例如，调质阻尼器或用于隔振、减震或信号处理的机构。例如，本公开的可调节负刚度系统可并入到结构中以作为有效负载安装件(例如，被配置成将电子件与多个转子频率、位置和导航传感器、雷达、相机或天线隔离的直升机上的灵敏电子件的安装件)或作为车辆的组件(例如，作为被配置成隔离引擎和底盘之间的振动的汽车的马达安装件)。本公开的可调节负刚度系统可并入为用于运输应用的振动和震动隔离系统(例如，有效负载安装件、内燃机安装件、车辆悬架或起落架)。例如，可取决于车辆的所需行进速度和/或预期车辆将碰到的预期表面条件和/或障碍物(例如，在并有可调节负刚度系统的车辆的越野或全地形使用期间碰到的障碍物)来调节本公开的可调节负刚度系统的负刚度响应。此外，本公开的可调节负刚度系统可被配置成以不频繁间隔展现离散的负刚度响应改变，其被配置成相较于完全有源系统减小当前可调节负刚度系统的功率和能量要求。

现参考图1a到1c，根据本公开的一个实施例的可调节负刚度系统100包含界定纵向轴线l的中心轴101、围绕中心轴101延伸的凸轮102，以及在中心轴101和凸轮102之间径向向外延伸的多个负刚度构件103。在所说明的实施例中，所述多个负刚度构件103中的每一个包含固定地联接到中心轴101的内端104和可沿着凸轮102滑动的外端105(即，凸轮102被配置成与负刚度构件103的外端105接合)。在所说明的实施例中，凸轮102围绕负刚度构件103中的每一个的外端105延伸。尽管在所说明的实施例中，负刚度系统100包含围绕中心轴101沿圆周且等距离间隔开的四个负刚度构件103(例如，两对对置负刚度构件103)，但在一个或多个实施例中，负刚度系统100可包含任何其它合适的数目的负刚度构件103，例如，两个到十个负刚度构件103，且负刚度构件103可以任何其它合适的方式布置。

在所说明的实施例中，负刚度构件103中的每一个包含一个或多个突弹跳变横杆。因此，负刚度构件103中的每一个被配置成在第一稳定位置和第二稳定位置之间“跳变”。在由这两个稳定位置界定或以这两个稳定位置为界的包络内，可调节负刚度系统100展现负刚度(即，在这两个稳定位置之间进行突弹跳变期间产生负刚度)。在以负刚度构件103的这两个稳定位置为界的此包络外部，可调节负刚度系统100展现正刚度。因此，可调节负刚度系统100展现非线性刚度(即，可调节负刚度系统100展现正刚度和负刚度)。例如，当将向上力施加到凸轮102时，可调节负刚度系统100被配置成最初展现抵抗向上偏转的正刚度。然而，随着向上偏转的力和量值的增大，可调节负刚度系统100将到达突弹跳变点，在所述点处可调节负刚度系统100的负刚度构件103将“突弹跳变”到上部稳定位置。在突弹跳变期间，可调节负刚度系统100展现负刚度(即，可调节负刚度系统100展现在将负载施加到凸轮102的方向上的向上力)。类似地，当将向下力施加到凸轮102时，可调节负刚度系统100最初被配置成展现抵抗向下偏转的正刚度。然而，随着向下偏转的力和量值的增大，可调节负刚度系统100将到达突弹跳变点，在所述点处可调节负刚度系统100的负刚度构件103将“突弹跳变”到下部稳定位置。在突弹跳变期间，可调节负刚度系统100展现负刚度(即，可调节负刚度系统100展现在将负载施加到凸轮102的方向上的向下力)。以此方式，负刚度构件103被配置成将中心轴101与凸轮102中的振动机械隔离和/或将凸轮102与中心轴101中的振动机械隔离。在一个或多个实施例中，负刚度构件103中的每一个包含一对压缩突弹跳变横杆。在一个或多个实施例中，负刚度构件103可包含任何其它合适数目的突弹跳变横杆(例如，单个突弹跳变横杆或三个或多于三个突弹跳变横杆的堆叠)且负刚度构件103可以是展现负刚度机械响应的任何其它合适类型或种类的机构。

凸轮102被配置成相对于中心轴101和负刚度构件103旋转(箭头106)以使负刚度构件103在伸长或松弛状态(例如，未屈曲状态)和压缩状态(例如，屈曲状态)之间移动。在所说明的实施例中，凸轮102包含内向凸轮表面107，内向凸轮表面107具有被配置成与负刚度构件103的外端105接合的一系列成形压缩区段108。凸轮102的成形压缩区段108被配置成在凸轮102旋转(箭头106)到某些角位置中时压缩(例如，屈曲)负刚度构件103。在所说明的实施例中，凸轮102包含四个成形压缩区段108。在一个或多个实施例中，凸轮102可包含任何其它合适数目的成形区段108，这取决于例如负刚度构件103的数目(例如，成形压缩区段108的数目可对应于负刚度构件103的数目)。此外，在所说明的实施例中，每个成形压缩区段108包含与中心轴101的纵向轴线l间隔开第一径向距离r1的第一端109和与纵向轴线l间隔开小于所述第一径向距离r1的第二径向距离r2的第二端110。在所说明的实施例中，每个成形压缩区段108在第一端109和第二端110之间非线性地渐缩或转变。在所说明的实施例中，每个成形压缩区段108围绕中心轴101横跨大致(约)70度。在一个或多个实施例中，每个成形压缩区段108可围绕中心轴101延伸或横跨任何其它合适的范围，例如，围绕中心轴101延伸或横跨大致(约)60度到大致(约)80度。

此外，在所说明的实施例中，凸轮102的内向凸轮表面107还包含被配置成与负刚度构件103的外端105接合的一系列松弛区段111。在所说明的实施例中，凸轮102包含四个成形松弛区段111。在一个或多个实施例中，凸轮102可包含任何其它合适数目的成形松弛区段111，这取决于例如负刚度构件103的数目(例如，成形松弛区段111的数目可对应于负刚度构件103的数目)。凸轮102的成形松弛区段111被配置成在凸轮102旋转(箭头106)到某些角位置中时使负刚度构件103松弛(例如，未屈曲)。此外，在所说明的实施例中，松弛区段111在每个压缩区段108的第一端109和邻近压缩区段108的第二端110之间延伸(例如，将所述第一端与所述第二端互连)。在所说明的实施例中，每个松弛区段111围绕中心轴101横跨大致(约)20度。在一个或多个实施例中，每个松弛区段111可围绕中心轴101延伸或横跨任何其它合适的范围，例如，围绕中心轴101延伸或横跨大致(约)10度到大致(约)30度。此外，在包含四个等间隔负刚度构件103的所说明实施例中，压缩区段108与松弛区段111为互补角度。

在所说明的实施例中，内向凸轮表面107的曲率不规则。在一个或多个实施例中，内向凸轮表面107的曲率可为非正弦的。

在图1a中所说明的初始位置中，负刚度构件103的外端105与内向凸轮表面107的成形压缩区段108的第一端109对准且负刚度构件103处于松弛(例如，未经压缩或未屈曲)状态。在操作中，当凸轮102从图1a中的初始位置旋转(箭头106)大致(约)70度以旋转到图1b中所说明的位置时，负刚度构件103的外端105沿着内向凸轮表面107从成形压缩区段108的第一端109滑动到成形压缩区段108的第二端110，这压缩负刚度构件103中的每一个(例如，屈曲到图1a到1c的页面的平面之外)。当凸轮102继续从图1b中的位置旋转(箭头106)到图1c中的位置时，负刚度构件103的外端105沿着内向凸轮表面107从成形压缩区段108的第二端110沿着松弛区段111滑动到成形压缩区段108的第一端109，这使负刚度构件103中的每一个松弛(例如，未屈曲)。在所说明的实施例中，负刚度构件103在图1c中与在图1a中处于同一状态或情况(例如，松弛或未屈曲)。以此方式，可通过相对于中心轴101和负刚度构件103旋转(箭头106)凸轮102以压缩(例如，屈曲)负刚度构件103或使所述负刚度构件伸长(例如，未屈曲)而改变(例如，切换)可调节负刚度系统100的负刚度响应。在图1a到1c中所说明的可调节负刚度系统100的实施例中，所有负刚度构件103在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间共同移动。即，在所说明的实施例中，所有负刚度构件103处于压缩(例如，屈曲)状态或所有负刚度构件处于松弛(例如，未屈曲)状态。因此，图1a到1c中所说明的可调节负刚度系统100的实施例可在两个负刚度响应状态之间切换或变化。

图2a到2e说明根据本公开的另一实施例的可调节负刚度系统200，其中少于所有的负刚度构件被配置成通过凸轮的每次旋转在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间移动或切换。即，可调节负刚度系统200的负刚度构件可在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间选择性地移动。

在所说明的实施例中，可调节负刚度系统200包含界定纵向轴线l'的中心轴201、围绕中心轴201延伸的凸轮202，以及在中心轴201和凸轮202之间径向向外延伸的多个负刚度构件203。负刚度构件203可与图1a到1c中所说明的可调节负刚度系统100的实施例中的负刚度构件103具有相同或类似配置。此外，尽管在所说明的实施例中，负刚度系统200包含围绕中心轴201沿圆周且等距离间隔开的四个负刚度构件203(例如，两对对置负刚度构件203)，但在一个或多个实施例中，负刚度系统200可包含任何其它合适数目的负刚度构件203，例如，两个到十个负刚度构件203，且负刚度构件203可以任何其它合适的方式布置。尽管可调节负刚度系统200在下文中描述为包含“竖直定向的”一对负刚度构件203和“水平定向的”负刚度构件203，但这些术语仅为了易于参考而使用且并不限制负刚度构件203的可能定向。

继续参考图2a到2e中所说明的实施例，凸轮202包含内向凸轮表面204，其具有被配置成与负刚度构件203的外端206接合以压缩(例如，屈曲)负刚度构件203的一系列成形压缩区段205，和被配置成与负刚度构件203的外端206接合以使负刚度构件203松弛(例如，未屈曲)的一系列松弛区段207。在所说明的实施例中，凸轮202的内向凸轮表面204还包含将压缩区段205连接到松弛区段207的一系列转变区段208。此外，在所说明的实施例中，压缩区段205中的每一个与中心轴201的纵向轴线l'相距恒定或基本上恒定的距离r1'(即，半径)且松弛区段207中的每一个与中心轴201的纵向轴线l'相距恒定或基本上恒定的距离r2'(即，半径)。此外，在所说明的实施例中，压缩区段205的所述第一距离r1'小于松弛区段207的所述第二距离r2'。

在图2a中所说明的初始位置中，负刚度构件203的外端206与内向凸轮表面204的松弛区段207对准且负刚度构件203处于松弛(例如，未经压缩或未屈曲)状态。在操作中，当凸轮202从图2a中的初始位置旋转(箭头209)大致(约)30度以旋转到图2b中所说明的位置时，图2a到2e中水平定向的所述一对负刚度构件203的外端206沿着转变区段208从松弛区段207滑动到压缩区段205，这会压缩水平定向的所述一对负刚度构件203(例如，屈曲到图2a到2e的页面的平面之外)。此外，当可调节负刚度系统200处于图2b中所说明的位置时，竖直定向的一对负刚度构件203保持与松弛区段207对准并且因此竖直定向的负刚度构件203保持处于松弛(例如，未经压缩或未屈曲)状态。

当凸轮202从图2b中的位置旋转(箭头209)大致(约)30度以旋转到图2c中的位置时，竖直定向的负刚度构件203的外端206沿着转变区段208从松弛区段207滑动到压缩区段205，这会压缩竖直定向的所述一对负刚度构件203(例如，屈曲到页面平面之外)。此外，当负刚度系统200处于图2c中所说明的位置时，水平定向的所述一对负刚度构件203保持与压缩区段205对准并且因此水平定向的负刚度构件203保持处于压缩(例如，屈曲)状态。因此，当负刚度系统200处于图2c中所说明的位置时，竖直定向的所述一对负刚度构件203和水平定向的所述一对负刚度构件203两者均处于压缩(例如，屈曲)状态。

当凸轮202从图2c中的位置旋转(箭头209)大致(约)30度以旋转到图2d中的位置时，竖直定向的负刚度构件203和水平定向的负刚度构件203的外端206均沿着转变区段208从压缩区段205滑动到松弛区段207，这会使竖直定向的所述一对负刚度构件203和水平定向的所述一对负刚度构件203松弛(例如，解压缩或未屈曲)。因此，当负刚度系统200处于图2d中所说明的位置时，竖直定向的所述一对负刚度构件203和水平定向的所述一对负刚度构件203两者均处于松弛(例如，未经压缩或未屈曲)状态。

当凸轮202从图2d中的位置旋转(箭头209)大致(约)30度以旋转到图2e中所说明的位置时，竖直定向的所述一对负刚度构件203的外端206沿着转变区段208从松弛区段207滑动到压缩区段205，这会压缩竖直定向的所述一对负刚度构件203(例如，屈曲到页面平面之外)。此外，当负刚度系统200处于图2e中所说明的位置时，水平定向的所述一对负刚度构件203保持与松弛区段207对准并且因此水平定向的负刚度构件203保持处于松弛(例如，未经压缩或未屈曲)状态。

基于先前描述，应了解，图2a到2e中所说明的负刚度系统200的实施例被配置成通过凸轮202的每次旋转(箭头209)使选择性的多对负刚度构件203在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间移动。

在一个或多个实施例中，负刚度系统200可包含具有两个或多于两个不同配置的负刚度构件203。例如，在一个或多个实施例中，图2a到2e中竖直定向的所述一对负刚度构件203可具有不同于图2a到2e中水平定向的所述一对负刚度构件203的配置(例如，不同厚度和/或不同宽度)，使得处于图2b中所说明的状态的可调节负刚度系统200展现不同于处于图2e中所说明的状态的可调节负刚度系统200的刚度特性。

此外，尽管在所说明实施例中，凸轮202被配置成使得凸轮202的30度旋转(箭头209)使一对或多对负刚度构件203在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间移动，但在一个或多个实施例中，凸轮202可被配置成使得凸轮202的其它合适角度的旋转(箭头209)被配置成使负刚度构件203在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间移动，例如，移动大致15度到大致(约)45度。

现参考图3a到3b，根据本公开的另一实施例的负刚度系统300包含输出块301、沿着一方向(例如，水平或竖直方向)布置的一系列负刚度构件302，和凸轮303。负刚度构件302在输出块301和凸轮303之间延伸。负刚度构件302的内端304联接到输出块301且凸轮303被配置成与负刚度构件302的外端305接合以使负刚度构件302在压缩(例如，屈曲)状态和松弛(例如，未屈曲)状态之间移动。负刚度构件302可具有与图1a到1c中所说明的可调节负刚度系统100的实施例中的负刚度构件103相同或类似的配置(例如，每个负刚度构件302可包含一个或多个突弹跳变横杆)。此外，尽管在所说明的实施例中，负刚度系统300包含四个负刚度构件302，但在一个或多个实施例中，负刚度系统300可包含任何其它合适数目的负刚度构件302，例如，两个到十个负刚度构件302。此外，在一个或多个实施例中，负刚度系统300可包含在负刚度构件302的外端和内端之间延伸的抗拉构件。

在所说明的实施例中，凸轮303包含各自分别具有凸轮表面轮廓310、311、312、313的一系列区域306、307、308、309，所述凸轮表面轮廓被配置成与负刚度构件302中的一个的外端305接合。在所说明的实施例中，凸轮303包含四个区域306、307、308、309，其中每个区域306、307、308、309对应于负刚度构件302中的一个。在一个或多个实施例中，凸轮303可包含任何其它合适数目的区域，例如取决于负刚度构件302的数目(例如，凸轮303上凸轮表面轮廓310、311、312、313的数目可对应于负刚度构件302的数目)。

图3c为描绘图3a到3b中所说明的凸轮303的实施例的第一区域306、第二区域307、第三区域308和第四区域309的凸轮表面轮廓310、311、312、313的曲线图。在所说明的实施例中，凸轮303上第一区域306和第四区域309的与第一和第四负刚度构件302的外端305接合的凸轮表面轮廓310、313相同或基本上相同，且凸轮303上第二区域307和第三区域308的与第二和第三负刚度构件302的外端305接合的凸轮表面轮廓311、312相同或基本上相同。在一个或多个实施例中，每个凸轮表面轮廓310、311、312、313可不同(例如，独特的)。在一个或多个实施例中，凸轮303可包含两个或多于两个相同凸轮表面轮廓。此外，在一个或多个实施例中，凸轮303可包含两个或多于两个相同凸轮表面轮廓，但所述凸轮表面轮廓可在角度上彼此偏移(例如，旋转)。

如图3c中所说明，当凸轮303旋转(箭头314)到第一角度位置(说明于图3c中的左边两个峰值之间)中时，凸轮303的第一区域306、第二区域307、第三区域308和第四区域309的凸轮表面轮廓310、311、312、313分别与第一、第二、第三和第四负刚度构件302的外端305接合，且由此压缩(例如，屈曲)负刚度构件302中的每一个。当凸轮303进一步旋转(箭头314)到第二角度位置(说明于图3c中的右边两个峰值之间)中时，凸轮303的第一区域306和第四区域309的凸轮表面轮廓310、313使第一和第四负刚度构件302松弛(例如，未屈曲)且凸轮303的第二区域307和第三区域308的凸轮表面轮廓311、312压缩(例如，屈曲)第二和第三负刚度构件302。因此，在所说明的实施例中，当凸轮303处于第二角度位置时，第一和第四负刚度构件302处于松弛(例如，未屈曲)状态且第二和第三负刚度构件302处于压缩(例如，屈曲)状态。以此方式，凸轮303的旋转(箭头314)被配置成使负刚度系统300在两个不同的负刚度响应状态之间变化或切换。在一个或多个实施例中，凸轮303的凸轮表面轮廓310、311、312、313可被配置成使负刚度系统300在任何其它合适数目的负刚度响应状态，例如，三个或多于三个负刚度响应状态之间变化或切换。此外，尽管在所说明实施例中，凸轮303被配置成共同移动第一和第四负刚度构件302且共同移动第二和第三负刚度构件302，在一个或多个实施例中，凸轮303的凸轮表面轮廓310、311、312、313可被配置(例如，布置)成使任何其它合适的负刚度构件302或负刚度构件302的组合在压缩(例如，屈曲)状态和未经压缩(例如，未屈曲)状态之间移动。

凸轮303可被配置成手动或自动地旋转(箭头314)。例如，在一个或多个实施例中，负刚度系统300可包含联接到凸轮303以促进凸轮303的手动旋转的曲轴。在一个或多个实施例中，负刚度系统300可包含联接到凸轮303以促进凸轮303的自动旋转的马达(例如，电磁马达)。此外，在一个或多个实施例中，负刚度系统300可包含一组齿轮和/或滑轮以增大凸轮303上的转矩。

在一个或多个实施例中，负刚度系统300可包含具有两个或多于两个不同配置的负刚度构件302。例如，在一个或多个实施例中，第一和第四负刚度构件302可具有不同于第二和第三负刚度构件302的配置(例如，不同厚度和/或不同宽度)。

图3d为当凸轮303处于第一角度位置(“状态1”)(说明于图3c中的左边两个峰值之间)时和当凸轮303处于第二角度位置(“状态2”)(说明于图3c中的右边两个峰值之间)时图3a到3b中所说明的可调节负刚度系统300的实施例的刚度特性的曲线图。

现参考图4a到4c，根据本公开的另一实施例的可调节负刚度系统400包含界定纵向轴线l的中心轴401、从中心轴401径向向外延伸的一系列负刚度构件402、被配置成与负刚度构件402的外端404接合的一系列致动器403，和被配置成选择性地联接到致动器403的电源405。致动器403被配置成使选择的负刚度构件402在松弛(例如，未屈曲)状态和压缩(例如，屈曲)状态之间移动以调节可调节负刚度系统400的负刚度响应。

负刚度构件402可具有与图1a到1c中所说明的可调节负刚度系统100的实施例中的负刚度构件103相同或类似的配置(例如，每个负刚度构件402可包含一个或多个突弹跳变横杆)。此外，尽管在所说明的实施例中，负刚度系统400包含围绕中心轴401沿圆周且等距离间隔开的四个负刚度构件402(例如，两对对置负刚度构件402)，但在一个或多个实施例中，负刚度系统400可包含任何其它合适数目的负刚度构件402，例如，两个到十个负刚度构件402，且负刚度构件402可以任何其它合适的方式布置。尽管可调节负刚度系统400在下文中描述为包含“竖直定向的”一对负刚度构件402和“水平定向的”负刚度构件402，但这些术语仅为了易于参考而使用且并不限制负刚度构件402的可能定向。

致动器403可以是任何合适类型或种类的致动器，例如，气动致动器、液压致动器、马达(例如，无刷dc电动马达)、静电致动器、电磁致动器、热致动器(例如，形状记忆合金)、压电致动器、机械致动器，或其组合。在所说明的实施例中，致动器可为液压活塞。在一个或多个实施例中，致动器403可各自包含活性材料(例如，形状记忆合金)。活性材料可经调谐以对外场作出响应。例如，在一个或多个实施例中，活性材料(例如，形状记忆合金)可经调谐以自动地对环境温度的改变作出响应且由此根据可调节负刚度系统400操作的环境的环境温度的改变而改变可调节负刚度系统400的总体负刚度响应。在一个或多个实施例中，致动器403可为可与负刚度构件402的外端接合的单独凸轮。

此外，电源405可以是适合于所述类型或种类的致动器403的任何类型或种类的电源。在所说明的实施例中，电源405为被配置成选择性地致动液压致动器403的液压致动系统(例如，泵和/或蓄电池)。在一个或多个实施例中，电源405可包含电池和/或气动泵。

此外，在所说明的实施例中，可调节负刚度系统400包含两个阀406、407。第一阀406连接于电源405和液压致动器403(联接到竖直定向的负刚度构件402)之间，且第二阀407连接于电源405和液压致动器403(联接到水平定向的负刚度构件402)之间。在一个或多个实施例中，可调节负刚度系统400可包含任何其它合适数目的阀406、407，这取决于例如对置负刚度构件402的对的数目和/或致动器403的数目。

在图4a中所说明的初始状态下，第一阀406与第二阀407两者关闭(或关)，且水平定向的负刚度构件402和竖直定向的负刚度构件402两者处于松弛(例如，未经压缩)状态(例如，当第一阀406与第二阀407关闭或关时，所有负刚度构件402均处于松弛状态)。

如图4b中所说明，可通过打开第二阀407选择性地压缩(例如，屈曲)水平定向的负刚度构件402。打开第二阀407致动联接到水平定向的负刚度构件402的外端404的液压致动器403，且这些液压致动器403的致动压缩(例如，屈曲)水平定向的负刚度构件402。

如图4c中所说明，可通过打开第一阀406选择性地压缩(例如，屈曲)竖直定向的负刚度构件402。打开第一阀406致动联接到竖直定向的负刚度构件402的外端404的液压致动器403，且这些液压致动器403的致动压缩竖直定向的负刚度构件402(例如，屈曲到图4a到4c的页面平面之外)。尽管在图4c中，水平定向的负刚度构件402保持处于压缩(例如，屈曲)状态，但可通过关闭第二阀407使水平定向的负刚度构件402返回到松弛(例如，未屈曲)状态。

因此，图4a到4c中所说明的可调节负刚度系统400的实施例被配置成通过选择性地打开和关闭(或开和关)阀406、407达成四个不同的负刚度响应状态以选择性地致动致动器403且由此选择性地压缩(例如，屈曲)负刚度构件402和/或使所述负刚度构件松弛(例如，未屈曲)。在所说明的实施例中，负刚度系统400被配置成通过关闭(或关)阀406、407两者展现第一负刚度响应以将竖直和水平定向的负刚度构件402两者移动到松弛(例如，未经压缩)状态中；通过仅打开第一阀406展现第二负刚度响应以仅将竖直定向的负刚度构件402移动到压缩(例如，屈曲)状态中；通过仅打开(或开)第二阀407展现第三负刚度响应以仅将水平定向的负刚度构件402移动到压缩(例如，屈曲)状态中；以及通过打开(或开)第一阀406与第二阀407两者展现第四负刚度响应以将竖直和水平定向的负刚度构件402两者移动到压缩(例如，屈曲)状态中。在一个或多个实施例中，可调节负刚度系统400可被配置成达成任何其它合适数目的负刚度响应状态，这取决于例如对置负刚度构件402的对的数目、致动器403的数目，和/或阀406、407的数目。

现参考图5a到5c，根据本公开的一个实施例的可变刚度结构500包含至少一对对置屈曲型突弹跳变横杆501、502(例如，至少一对对置负刚度屈曲横杆)。在相反方向上屈曲屈曲型突弹跳变横杆501、502(例如，向上屈曲上部屈曲型突弹跳变横杆501且向下屈曲下部屈曲型突弹跳变横杆502)。例如，在所说明的实施例中，可变刚度结构500包含三个上部屈曲型突弹跳变横杆501(例如，三个上部负刚度屈曲横杆)的堆叠和三个下部屈曲型突弹跳变横杆502(例如，三个下部负刚度屈曲横杆)的堆叠。尽管在所说明实施例中，可变刚度结构500包含三对上部和下部屈曲型突弹跳变横杆501、502，但在一个或多个实施例中，可变刚度结构500可包含任何其它合适数目对屈曲型突弹跳变横杆501、502，例如，一对到六对对置屈曲型突弹跳变横杆501、502，取决于可变刚度结构500展现的所要负刚度。在一个或多个实施例中，可变刚度结构500包含两个上部屈曲型突弹跳变横杆501(例如，两个上部负刚度屈曲横杆)的堆叠和两个下部屈曲型突弹跳变横杆502(例如，两个下部负刚度屈曲横杆)的堆叠。一般来说，增大屈曲型突弹跳变横杆501、502的数目增大可变刚度结构500的负刚度。此外，在所说明的实施例中，上部和下部屈曲型突弹跳变横杆501、502围绕中心线l对称。

在所说明的实施例中，突弹跳变横杆501、502为整体式的(即，横杆501、502的厚度沿着横杆501、502的长度恒定或基本上恒定)。在一个或多个实施例中，横杆501、502可为“复合”横杆，其中所述横杆中的一个或多个的厚度沿着横杆的长度变化(即，所述横杆中的一个或多个可具有不均匀厚度)以引起并非“纯”余弦曲线的屈曲模式形状。例如，突弹跳变横杆501、502的端503、504和中心部分505相较于突弹跳变横杆501、502的剩余部分可具有较低厚度和刚度。此外，在一个或多个替代实施例中，端503、504中的一个或两个可联接到低刚度联接器，例如，弯曲部、枢轴、轴承、滚柱轴承销，或摆动销。

在图5a到5c中所说明的实施例中，突弹跳变横杆501、502的相对端503、504夹固在一起且分别联接到结构或支撑件506、507。在所说明的实施例中，可变刚度结构500还包含以操作方式联接到突弹跳变横杆501、502的一个端503的致动器508。致动器508可以是任何合适类型(或种类)的致动器，例如，气动致动器、液压致动器、马达(例如，无刷dc电动马达)、静电致动器、电磁致动器、热致动器(例如，形状记忆合金)、压电致动器、机械致动器，或其组合。在一个或多个替代实施例中，可变刚度结构500可包含相对于负刚度横杆501、502位于任何其它合适位置处的任何其它合适数目的致动器，例如，定位在突弹跳变横杆501、502的另一端504处的单个致动器或定位在突弹跳变横杆501、502的两端503、504处的一对致动器。致动器508可经致动(箭头509)以压缩或伸长突弹跳变横杆501、502且由此分别增大或减小可变刚度结构500的负刚度的量(即，致动器508被配置成沿着x方向扩展和压缩(箭头509)以分别减小和增大负刚度横杆501、502的相对端503、504之间的距离且由此控制可变刚度结构500的负刚度的程度)。

继续参考图5a到5c中所说明的实施例，负刚度横杆501、502为“模式3”屈曲横杆(例如，模式-3类型(或种类)的屈曲型突弹跳变横杆)。模式数指代在屈曲期间负刚度横杆501、502跨越其中心线的次数(即，在屈曲期间存在的“驼峰”或正弦波的数目)。在所说明的实施例中，负刚度横杆501、502在屈曲期间各自具有三个“驼峰”h1、h2、h3。

图5a到5c还说明使可变刚度结构500被配置成与不合需要的振动隔离的对象或结构510。在所说明的实施例中，对象507联接(例如，夹固)到横杆501、502的中心部分506(例如，对象507可围绕横杆501、502的中心部分506的至少部分夹固，使得横杆501、502穿过对象507)。

如图5b到5c中所说明，所述多对对置突弹跳变横杆501、502被配置成在第一稳定位置(图5b中的上部虚线组)和第二稳定位置(图5c中的下部虚线组)之间“跳变”。在由这两个稳定位置界定或以这两个稳定位置为界的包络内，可变刚度结构500展现负刚度(即，在图5b到5c中所说明的两个稳定位置之间的突弹跳变期间产生负刚度)。在以突弹跳变横杆501、502的两个稳定位置为界的此包络外部，可变刚度结构500展现正刚度。因此，可变刚度结构500展现非线性刚度。在一个或多个实施例中，横杆501、502的刚度可相对高且可变刚度结构500可包含联接到横杆501、502的一个端503或504以促进横杆501、502的突弹跳变的弹簧或经管理刚度壳体。此外，在一个实施例中，突弹跳变横杆501、502可具有介于大致或约5:1和大致或约20:1之间的长度对厚度的高宽比以及介于大致或约1:2和大致或约1:10之间的宽度对厚度的高宽比，这可实现合适的抗屈曲性。

围绕中心线l对称地布置屈曲型突弹跳变横杆501、502(参见图5a)被配置成最小化或至少减少反作用力矩(即，转矩)在屈曲型突弹跳变横杆501、502的夹固端503、504处的产生。即，上部和下部横杆501、502的对称变形(即，横杆501、502围绕中心线l在相反方向上的屈曲)被配置成抵消在屈曲型突弹跳变横杆501、502的夹固端503、504处形成的反作用力矩且在对象或结构510向上或向下偏转(箭头511)时最小化或至少减小在屈曲型突弹跳变横杆501、502的夹固端503、504处的反作用力矩。

在图5a到5c中所说明的实施例中，上部突弹跳变横杆501通过间隙512彼此间隔开且下部突弹跳变横杆501通过间隙513彼此间隔开。此外，在所说明的实施例中，可变刚度结构500包含间隔物514、515，其分别布置于邻近上部突弹跳变横杆501之间(例如，邻近上部负刚度屈曲横杆之间)和邻近下部突弹跳变横杆502之间(例如，邻近下部负刚度屈曲横杆之间)以控制上部突弹跳变横杆501之间的间隙512(即，间隔)和下部突弹跳变横杆502之间的间隙513(即，间隔)。间隔物514、515取决于可变刚度结构500的所要阻尼可具有任何合适的厚度。一般来说，相对较厚间隔物514、515(例如，厚度为横杆501、502的厚度的大致0.5到2倍的间隔物)导致相对较小阻尼，相对较薄间隔物(例如，厚度为横杆501、502的厚度的大致0.05到0.25倍的间隔物)导致适中阻尼。因此，一般来说，减小间隔物514、515的厚度会增大可变刚度结构500展现的阻尼量。此外，在一个或多个实施例中，可提供不具有间隔物514、515的可变刚度结构500，这将在所有振幅下导致相对较大阻尼。例如，当横杆501、502相对于中心或中间位置(在图5b到5c中以实线展示)位移相对较小量时，横杆501、502分别通过间隙512、513保持彼此间隔开(即，上部横杆501的堆叠彼此并不触碰且下部横杆502的堆叠彼此并不触碰)。在相对较高偏转(如在图5b到5c中以虚线所示)下，横杆501、502可不以完全相同的方式(way/manner)弯曲且归因于横杆501、502中的初始制造缺陷或瑕疵可彼此触碰。横杆501、502之间的接触在横杆501、502的较高偏转下以及在可使对象或结构510相对于支撑件506、507扭曲的高离轴负载期间引入阻尼和能量耗散，这可为用于隔离系统的所需效应。

此外，在图5a中所说明的实施例中，可变刚度结构500包含最内或最中心横杆501、502之间的一个或多个弹性元件514以确保横杆501、502屈曲成对称对置形状(即，可变刚度结构500包含最内上部横杆501和面向最内上部横杆501的最内下部横杆502之间的一个或多个弹性元件516)。尽管在所说明实施例中，可变刚度结构500包含四个弹性元件516，但在一个或多个实施例中，可变刚度结构500可包含任何其它合适数目的弹性元件516，例如，一个到八个弹性元件516。此外，一个或多个弹性元件516可由任何合适的弹性材料制成，例如，橡胶衬套和/或小金属弹簧。一个或多个弹性元件516可联接(例如，粘合)到最内横杆501、502中的一个(即，联接到最内上部横杆501或联接到最内下部横杆502)或由单独约束固持在适当位置。此外，在一个或多个实施例中，最内横杆501、502中的一个或两个可包含相对较小隆起部(例如，小曲率，例如，横杆501、502的长度的大致0.1到大致0.15)，其被配置成偏置横杆501、502以始终屈曲成对称对置形状。

图5a到5c中所说明的至少一对对置突弹跳变横杆501、502(例如，对置的一对或多对负刚度屈曲横杆)和任选地，间隔物514、515和/或弹性元件516可并入到上文所描述的和图1a到1c、2a到2e、3a到3b，和4a到4c中所描绘的可调节负刚度系统100、200、300、400的实施例中的任一者中。例如，图1a到1c中所说明的可调节负刚度系统100的负刚度构件103、图2a到2e中所说明的可调节负刚度系统200的负刚度构件203、图3a到3b中所说明的可调节负刚度系统300的负刚度构件302，和/或图4a到4c中所说明的可调节负刚度系统400的负刚度构件402可各自由如图5a到5c中所说明的至少一对对置突弹跳变横杆501、502和任选地，一个或多个间隔物514、515和/或一个或多个弹性元件516替代。

在一个或多个实施例中，本公开的负刚度构件或负刚度元件可为“模式1”或单模屈曲横杆(例如，模式-1屈曲型突弹跳变横杆)。在一个或多个实施例中，本公开的负刚度构件或负刚度元件可为较高模式或较高阶屈曲横杆(例如，较高阶或较高模式屈曲型突弹跳变横杆)，例如，模式-2屈曲横杆(例如，模式-2屈曲型突弹跳变横杆)或更高，例如模式-3屈曲横杆(例如，模式-3屈曲型突弹跳变横杆)。如上文所描述，模式数指代在屈曲期间屈曲横杆或屈曲型突弹跳变横杆(即，负刚度构件或负刚度元件)跨越其中心线的次数(即，在屈曲期间存在的“驼峰”或正弦波的数目)。此外，在一个或多个实施例中，本公开的可调节负刚度系统可包含具有两个或多于两个不同模式数的负刚度构件的组合。

尽管本发明已经特别参考其示范性实施例进行详细描述，但是本文中所描述的示范性实施例并不意图为穷尽性的或将本发明的范围限制为所公开的精确形式。本发明所属领域和技术的技术人员应了解，可在没有实质偏离如阐述于所附权利要求中的本发明的原理、精神和范围的情况下实践所描述结构和装配与操作方法的更改和改变。尽管在本文中已经使用例如“外部”、“内部”、“上部”、“下部”、“水平”、“竖直”和类似术语的相对术语来描述一个元件与另一元件的空间关系，但是应理解，这些术语意图涵盖除了图中描绘的定向以外的本发明的各个种元件和组件的不同定向。另外，如本文所使用，术语“基本上”、“约”和类似术语用作近似术语，而不是作为程度术语，并且意在考虑到所属领域的一般技术人员应认识到的所测量或计算的值的固有偏差。此外，如本文中所使用，当组件被称为“在另一组件上”时，它可直接在所述另一组件上，或者它们之间还可存在组件。此外，当组件被称为“联接”到另一组件时，它可直接附接到所述另一组件上，或者它们之间可存在中间组件。