负刚度液压系统的制作方法

负刚度液压系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可变刚度结构，所述可变刚度结构被构造为支撑可变负荷，该可变刚度结构包括连接到可变负荷的正刚度元件、负刚度元件和液压系统，所述液压系统连接到正刚度元件和负刚度元件并且被构造为在可变刚度结构支撑可变负荷时响应于可变负荷中的变化调节正刚度元件和负刚度元件的相对位置。
【专利说明】
负刚度液压系统
技术领域
[0001]以下说明整体涉及非线性结构的刚度，更具体地，涉及负刚度液压系统。【背景技术】
[0002]负刚度可以由非线性行为产生。例如，简单并广泛使用的可以产生负刚度的非线性结构包括突弹跳变梁、屈曲梁、过度旋转以及部件之间的滚动或滑动接触。同时表现出正刚度和负刚度的非线性结构在多种机械设计应用中有潜在用处。举例来说，负刚度元件(例如，可以显示非线性表现的屈曲型梁)可以与正刚度元件结合，例如支撑弹簧，以在位移范围内提供具有零或准零刚度(QZS)的结构。因为通过很低刚度的系统的振动传递最小，所以该结构的准零刚度可以用于(使用于)从不需要的振动隔离另一个对象或块(例如，结构、装置、封装和/或仪器)。然而，这些相关技术的隔离结构在它们的隔离模式中往往不稳定，并且由于它们的阻尼和隔振能力而不易使用，这是因为制造技术和方法通常不够精确到足以生产不需要频繁调整的QZS结构。此外，传统的QZS结构在存在系统中可能包括大的位移的大静态负荷变化(例如，大的静力变化)时不能够维持低至零刚度。一种方法是使用电动机调节与主支撑弹簧平行的较软的第二正弹簧。然而，这种方法具有仅能够调节力的较小变化的限制。另一个方法使用(应用)被动负刚度系统，其中大的动作会导致负刚度元件脱开并相对于正元件滑动。然而，该系统具有滑动后不能重设它的最小刚度的缺陷，这限制了它隔离不需要的振动的能力。
[0003]因此，需要一种用于重新定中心的负刚度而不完全脱离负刚度元件的低成本、稳固的技术方案。
【发明内容】

[0004]本发明的实施例的多个方面涉及一种支撑大的静力的同时能够隔离振动的系统。
[0005]本发明的实施例的多个方面涉及能够隔离低振幅振动并同时承受静力中的大的变化的多种液压隔离系统。根据一个实施例，该液压隔离系统将可控的负刚度元件与液压系统(该液压系统提供负刚度元件与一些外部正刚度系统之间的连接性的连续可变的调节)相结合，以通过负刚度元件处理静力中的变化。根据另一个实施例，当该系统响应于静力中的变化进行调节时，被动的负刚度元件中的压缩被保持。
[0006]根据本发明的一些实施例，提供了一种被构造为支撑可变负荷的可变刚度结构， 该可变刚度结构包括:连接到可变负荷的正刚度元件；负刚度元件;和液压系统，所述液压系统连接到正刚度元件和负刚度元件，并被构造为当该可变刚度结构支撑可变负荷时响应于可变负荷中的变化调节正刚度元件与负刚度元件的相对位置。
[0007]在一个实施例中，正刚度元件被构造为将可变负荷连接到外部主体，并且负刚度元件被构造为将可变负荷的振动与外部主体隔离。
[0008]在一个实施例中，可变负荷中的变化产生可变负荷和外部主体的相对位置的位移，超过位移的可操作范围，在所述可操作范围内，负刚度元件向变刚度结构的总刚度常数提供负刚度常数，并且响应于可变负荷中的变化，液压系统被构造为通过施加流体压力以调节正刚度元件与负刚度元件的相对位置将可变刚度结构返回到位移的可操作范围。
[0009]在一个实施例中，可变刚度结构被构造为在响应于可变负荷中的变化调节正刚度元件与负刚度元件的相对位置时保持基本恒定的刚度。
[0010]在一个实施例中，基本恒定的刚度为约零刚度。[〇〇11]在一个实施例中，正刚度元件被构造为向可变刚度结构的总刚度常数提供正刚度常数。
[0012]在一个实施例中，液压系统包括致动器，并且被构造为在调节正刚度元件与负刚度元件的相对位置之前脱离负刚度元件以及在调节正刚度元件与负刚度元件的相对位置之后重新接合负刚度元件。
[0013]在一个实施例中，液压系统包括:连接到负刚度元件的液压室;蓄压器;和阀系统， 所述阀系统被构造为使流体在液压室与蓄压器之间移动，其中响应于可变负荷中的变化， 液压室被构造为在负刚度元件上施加流体压力以调节负刚度元件相对于正刚度元件的位置。
[0014]在一个实施例中，阀系统被构造为根据可变负荷中的变化升高或降低液压室内的流体压力。
[0015]在一个实施例中，阀系统包括在相反方向上布置并且被构造为当液压室或蓄压器中的流体压力超过释放压力时允许液压室与蓄压器之间的流体流动的两个或更多个压力释放阀。
[0016]在一个实施例中，两个或更多个压力释放阀包括被动阀。
[0017]在一个实施例中，阀系统包括被动阀和主动阀中的一个或多个。
[0018]在一个实施例中，液压系统包括:第一液压室，所述第一液压室连接在正刚度元件与可变负荷之间；第二液压室，所述第二液压室连接在负刚度元件和主体之间；和阀系统， 所述阀系统被构造为响应于可变负荷中的变化使流体在第一液压室和第二液压室之间移动，以调节负刚度元件相对于正刚度元件的位置。
[0019]在一个实施例中，阀系统被构造为通过降低第一液压室和第二液压室之间的流体压力偏差调节负刚度元件相对于正刚度元件的位置。
[0020]在一个实施例中，阀系统包括被动阀和主动阀中的一个或多个。
[0021]在一个实施例中，可变刚度结构还包括连接到第一液压室和第二液压室中的一个的传感器，其中，该传感器被构造为感测第一液压室和第二液压室中的一个内的流体压力， 并且其中阀系统还被构造为根据所感测的流体压力控制负刚度元件的刚度。[〇〇22]根据一个实施例，正刚度元件包括第一橡胶盘和第二橡胶盘，并且通过内支柱连接到可变负荷。
[0023]在一个实施例中，负刚度元件包括一对带扣的盘，所述盘具有连接到主体的第一端部和被构造为沿内支柱的长度滑动的第二端部。
[0024]在一个实施例中，NS元件的刚度由连接到负刚度元件的第一端部或第二端部的致动器控制。
[0025]在一个实施例中，液压系统包括:第一液压室，所述第一液压室位于第一橡胶盘和负刚度元件之间；第二液压室，所述第二液压室位于第一橡胶盘和负刚度元件之间；和阀系统，所述阀系统被构造为响应于可变负荷中的变化使流体在第一液压室和第二液压室之间移动，以调节负刚度元件相对于内支柱的位置。
[0026]在一个实施例中，当阀系统调节负刚度元件相对于内支柱的位置时，负刚度元件的刚度保持基本恒定。
[0027]在一个实施例中，液压系统包括:第一液压室，所述第一液压室连接在负刚度元件与可变负荷之间；第二液压室，所述第二液压室连接在负刚度元件与主体之间；第一蓄压器;和阀系统，所述阀系统被构造为使流体在第一蓄压器与第一液压室和第二液压室之间移动，其中第一液压室和第二液压室中的每一个被构造为响应于可变负荷中的变化在负刚度元件上施加流体压力，以调节负刚度元件相对于正刚度元件的位置。
[0028]在一个实施例中，阀系统被构造为根据可变负荷中的变化升高或降低第一液压室和第二液压室内的流体压力。
[0029]在一个实施例中，阀系统被构造为根据可变负荷中的变化平衡第一液压室和第二液压室之间的流体压力。
[0030]在一个实施例中，可变刚度结构还包括连接到第一液压室和第二液压室中的一个的传感器，其中，传感器被构造为感测第一液压室和第二液压室中的一个内的流体压力，并且其中阀系统还被构造为根据感测的流体压力控制负刚度元件的刚度。[0031 ]在一个实施例中，液压系统还包括第一致动器，所述第一致动器被构造为将流体从第一液压室和第二液压室中的一个推动到第一液压室和第二液压室中的另一个。
[0032]在一个实施例中，液压系统还包括被构造为升高或降低第一蓄压器中的流体压力的第二致动器。
[0033]在一个实施例中，液压系统还包括:第二蓄压器，其中阀系统还被构造为使流体在第二蓄压器与第一液压室和第二液压室之间移动。
[0034]根据本发明的一些实施例，提供了一种隔离系统，包括:主体;可变负荷;和连接到主体和可变负荷的可变刚度结构，该可变刚度结构被构造为在存在可变负荷中的变化时将可变负荷的振动与主体隔离，该可变刚度结构包括:连接到可变负荷的正刚度元件;负刚度元件;和液压系统，所述液压系统连接到正刚度元件和负刚度元件，并且被构造为当该可变刚度结构支撑可变负荷时响应于可变负荷中的变化调节负刚度元件与正刚度元件的相对位置。
[0035]在一个实施例中，液压系统包括:连接到负刚度元件的液压室;蓄压器;和阀系统， 所述阀系统被构造为使流体在液压室与蓄压器之间移动，其中液压室被构造为响应于可变负荷中的变化在负刚度元件上施加流体压力，以调节负刚度元件相对于正刚度元件的位置。
[0036]在一个实施例中，隔离系统包括:第一液压室，所述第一液压室连接在负刚度元件与可变负荷之间；第二液压室，所述第二液压室连接在负刚度元件与主体之间；阀系统，所述阀系统被构造为响应于可变负荷中的变化使流体在第一液压室与第二液压室之间移动， 以调节负刚度元件相对于正刚度元件的位置。
[0037]因此，本发明的实施例能够在中振动频率到高振动频率保持低刚度(S卩，高隔离) 同时允许大负荷通过该隔离系统。
[0038]提供本
【发明内容】
是为了介绍在具体说明中进一步说明的方案的一些选择。本
【发明内容】
并不旨在识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。【附图说明】
[0039]本发明实施例的上述及其它特征和优点通过参考以下结合附图的详细说明将更加清晰。在附图中，相同的附图标记在整个附图中用以表示相同的特征和部件。附图不一定按照比例绘制。
[0040]图1A示出了负刚度元件的力-位移关系100a;[〇〇41]图1B示出了包括负刚度元件和正刚度元件的通用准零刚度(QZS)弹簧系统的力-位移关系l〇〇b;[〇〇42]图2为根据本发明的一个示例性实施例的液压隔离系统的功能表示；[〇〇43]图3A和3B示出了根据本发明的示例性实施例的在自适应准零刚度(QZS)系统中重新调节负刚度元件的连接性以在当前静力下保持低刚度范围的概念；
[0044]图4A为根据本发明一个示例性实施例的使用单面、被动、低压的液压系统的液压隔离系统的功能表示；
[0045]图4B为根据本发明一个示例性实施例的使用单面、主动、低压的液压系统的液压隔离系统的功能表示；
[0046]图4C为根据本发明一个示例性实施例的使用单面的混合低压液压系统的液压隔离系统的功能表示，所述液压隔离系统同时具有主动阀和被动阀；
[0047]图5为根据本发明一个示例性实施例的使用双面、混合、高压的液压系统的液压隔尚系统的不意图；
[0048]图6为根据本发明一个示例性实施例的使用双面的液压系统的液压隔离系统中的安装架的示意图；以及
[0049]图7为根据本发明一个示例性实施例的用于调节负刚度元件的连接性而不改变负刚度值的双面液压隔离系统的示意图。【具体实施方式】
[0050]在很多机械结构中，例如在运输系统中使用的结构，理想的是受到宽范围的静力 (例如，G-负荷)时隔离宽带振动。本发明涉及一种能够在支持大的静力的同时仍然隔离振动的主要被动系统(例如，可变刚度结构)的多个实施例。
[0051]本发明的可变刚度结构可以结合到任何系统或装置中，其中期望通过该结构或装置防止或至少降低振动传递，例如，举例来说陀螺仪(其中，陀螺仪的准确度与振动隔离的水平成比例)、客车(例如，引擎与车辆底盘之间或车轮与道路之间的振动隔离)、航行器(例如，直升机桨叶与直升机轮毂之间的振动隔离)、照相机(其中，振动降低可以提高图像质量)、雷达和其它灵敏的测量设备、精密瞄准设备(例如，智能弹药瞄准系统)、灵敏的医疗设备、卫星和/或类似设备。传递率是振动隔离质量的量度，它被定义为被隔离的系统或装置的响应幅度与输入到该系统或装置的激振振幅的比率(即，激振振幅是本发明的可变刚度结构被构造成防止或至少降低传送到振动敏感结构的力或位移)。
[0052]在常规的动态系统中，往往很难解决静力中的大幅变化(例如，负荷中的“DC偏移”)。负荷中的“DC偏移”指任何负荷变化，其中该变化的频率分量小于总体系统的固有频率的1/5。本发明的实施例涉及一种能够隔离低幅度振动且同时允许静力中的大幅变化的具有准零刚度(QZS)刚度的液压隔离器。[〇〇53] 在一些实施例中，当通过使用几乎无源的网络来允许DC负荷通过网络时，低刚度 (例如，高隔离)被保持在中到高频率以降低(例如，最小化)系统使用的功率。根据一个实施例，液压隔离系统将可控负刚度元件与液压系统相结合，提供了负刚度元件和一些外部正刚度系统之间的连接性的连续变化调节，以通过该负刚度元件解决静力中的变化。根据另一个实施例，当响应静力中的变化调节该系统时，维持无源负刚度元件中的压缩。因此，本发明的实施例实现了具有高静态(例如，“DC”)刚度和减少(例如，最小)的施加功率的宽带宽隔呙。[〇〇54]图1A示出了负刚度元件的力-位移关系100a。图1B示出了包括负刚度元件和正刚度元件的通用准零刚度(QZS)弹簧系统的力-位移关系100b。
[0055]负刚度结构是处于一些不稳定状态的结构，例如处在屈曲或皱缩状态。一些实例为屈曲梁或过中心的肘节机构。在临界位移之外，该结构的刚度是正的，但是在临界范围内，刚度是负的(在图1A中用Kn表示)。负刚度可以采取任意形状，但是通常位于与位移成三次曲线(例如，虚线曲线102)关系与线性(例如，实线曲线104)关系之间，如图1A所示。当负刚度结构与正刚度结构平行地结合(例如，具有曲线112表示的线性力-位移关系的弹簧) 时，该系统可以稳定到非线性准零刚度(QZS)系统，表现为有限的力范围114内的低刚度以及该范围以外的高刚度，如图1B中的曲线110所示。这种无源系统在平均力保持在“低刚度” 范围内且振幅与频率之间的关系固定的应用中是有用的。实例可以包括在地面或固定表面上运行的机器或设备。
[0056]对于具有改变的振动频谱或额外的环境负荷和加速度的系统，可以控制(例如，调节)自适应负刚度部件以假定正刚度弹簧(例如，曲线112)与近零刚度(例如，靠近曲线110 的中心部分)之间的任意刚度。尽管这种假定在静力小并且持续时间有限的情况中是有用的，但当该低频率或准静力大并且持续更长时，该负荷可能会远离力位移曲线110的低刚度部分作用，从而通过网状系统传递更多振动。[〇〇57]图2为根据本发明一个示例性实施例的液压隔离系统(例如，液压QZS系统或液压耦合的负刚度系统)200的功能表示。该隔离系统200包括质量块(mass)(例如，可变负荷) 201、结构(例如，主体)212和安装架205,安装件205用于从结构212的运动(可以是例如摄像机安装架中的情况)中保护(例如，隔离)质量块201、从振动块201中保护(例如，隔离)结构 212或者在某些情况中同时保护两者(例如，发动机架中)。安装架205可以部分地表示为阻尼元件207和正刚度元件(例如，正刚度弹簧或静态刚度元件)208。阻尼元件207和正刚度 (PS)元件208分别呈现安装架205的消耗和承载特性，并且可以例如是黏性阻尼器和螺旋弹簧或者固态的橡胶件。图2中示出的阻尼元件207和正刚度元件208为简单的单自由度网状系统，该网状系统可以是平移的或扭转的。然而，本发明的实施例并不限于此，所示的弹簧和阻尼器组合可以用更复杂的正刚度系统代替。[〇〇58]在一个实施例中，安装架205还包括负刚度元件(例如，可变负刚度)206和液压系统(例如，液压离合机构)220。没有液压系统220,则如果施加在安装架205中的静力保持基本恒定(例如，处于图1B的低刚度范围114内)，负刚度(NS)元件206使隔离系统200表现出零与PS元件208的刚度之间的任意刚度。然而，根据本发明的实施例，在有大的静力偏移情况中(例如，可能导致隔离系统200从图1B的低刚度范围114落下的偏移)，液压系统220向隔离系统200提供低能量机构以调节NS元件206的(力或位移中的)范围，从而补偿静力偏移。在图2中，NS元件206示意性地被显示为在每一个端部处被固定的单个梁。然而，NS元件206不限于此，而是可以包括任意复杂的负元件，例如贝氏垫圈(Belleville washer)、屈曲梁或柱、高次模(2,3)屈曲梁、屈曲盘、多连杆机构和/或类似元件。液压系统220可以是单面的， 即仅连接在NS元件206的一端与质量块201和结构212中的相应的一个之间，或者液压系统 220可以是双面的，即连接到NS元件206的两端，从而将所述NS元件在两端与质量块201和结构212分离(例如，由图2中的液压系统220的虚线端所示出)。[〇〇59]图3A和3B示出了根据本发明示例性实施例的在自适应准零刚度(QZS)系统中重新调节负刚度元件的连接性以在当前静力下维持低刚度范围的概念。图3A示出了根据本发明一个示例性实施例的具有三次曲线的负刚度元件(例如由图1A的曲线102所示出的)的自适应QZS系统的力-位移关系。图3B示出了根据本发明一个示例性实施例的具有线性负刚度元件(例如由图1B中的曲线104所示出的)的自适应QZS系统的力-位移关系。
[0060]在图3A和3B中，根据本发明的实施例，曲线300a和300b表示自适应QZS系统的基线力-位移关系。由Kd给出有效的(或总的)低刚度，Kd是在位移范围中静态刚度Ks (它稳定系统并支撑静态负荷，Fs)和负刚度1^的和，其中负刚度元件提供负刚度常数。当静力^改变(例如，由于附加块或惯性负荷的影响)时，自适应QZS系统改变负刚度弹簧和正刚度弹簧之间的相对位置以调节低刚度区域从而与新的Fs值匹配。曲线302、304、312和314代表自适应 QZS系统通过改变该系统的负刚度元件与正刚度元件的相对位移可以采取的其它力-位移关系的实例。如图3A和3B所示，该调节建立了对可变低频率负荷具有高的有效静态刚度且同时或并发地对较高频率振动负荷具有低动态刚度的系统。
[0061]图4A-4C为根据本发明示例性实施例的用于静态和动态负荷过滤的单面液压隔离系统(例如，单面液压耦合NS系统)400-1到400-3的功能表示。[〇〇62]图4A为根据本发明一个示例性实施例的使用单面、无源、低压的液压系统420-1的液压隔离系统400-1的功能表示。低压系统可以是允许其中的液压流体具有大气压力以下的压力的系统。在一个实施例中，质量块201通过正刚度(PS)元件(例如，正压弹簧)208和阻尼器207连接到结构(例如，主体)212。尽管阻尼器207和PS元件208代表简单的单自由度网状系统，例如钢结构或橡胶结构，但是本发明的实施例不限于此，阻尼器/PS元件组合可以由任意更加复杂的正刚度系统代替。负刚度(NS)元件(例如，可控的负刚度弹簧)206与PS元件平行地结合。[〇〇63] 在一个实施例中，NS元件206的一端连接到(例如，刚性地连接到)结构212，而另一端连接到液压系统420-1的液压室(例如，液压柱)422。质量块201连接到(例如，固定到)液压室422(液压室422可以具有固定的容积)，从而约束质量块201连接到NS元件206。在一个可选实施例中，NS元件206连接到(例如，刚性地连接到)质量块201，并且液压室422连接在 NS元件206和结构212之间。[〇〇64]在一个实施例中，液压室422通过被动阀系统426连接到低压(例如，低于大气压力)液压蓄压器(例如，流体储存器)424。在一个实例中，液压蓄压器424可以保持在基本上为零的压力或其它低压力下。
[0065]在一个实施例中，液压流体包括乙二醇、酯、有机磷酸酯、聚a_烯烃、丙二醇、硅油和/或类似流体。例如，液压流体包括油、丁醇、酯(例如，邻苯二甲酸酯，例如DEHP，以及己二酸酯，例如二(2-乙基己基)己二酸酯)、聚亚烷基二醇(PAG)、有机磷酸酯(例如，磷酸三丁酯)、聚硅氧烷、烷基化的芳香烃、聚a烯烃(例如聚异丁烯)、腐蚀抑制剂(包括除酸剂)、抗侵蚀添加剂和/或类似流体。
[0066]根据本发明的一个实施例，每次由负荷或质量块201施加的静力变化超出阀值(例如，预定阀值)时，隔离系统400-1通过增加或减少液压室422内的流体体积来响应该变化。 隔离系统400-1可以通过很多途径检测静力的变化，包括判定NS元件206的位移对于一定时间长度(例如，预设的时间长度)是否超过阀值(高于或低于它的中间点)、判定液压系统 420-1中(例如，液压室422中)的压力对于一定时间长度是否超过阀值(例如，预设阀值)、判定由传感器(例如，转换器)检测到的NS元件206与结构212之间的力对于一定时间长度是否超过阀值(高于或低于〇)和/或类似方法。[0〇67]测量的时间分量可以允许隔尚系统400-1滤出突然的冲击。根据液压隔尚系统 400-1的应用，时间长度可以从0秒变化到几秒。测量的时间分量可以由例如数字过滤器(例如，当微处理器控制该系统时)、横过传感器信号的模拟过滤器(例如，横过转换器的输出的电容器)或者物理过滤器(例如，到压力转换器的限止流)实施。[〇〇68]在一个实施例中，对静力变化的检测之后，隔离系统400-1可以通过例如对NS元件 206重新定中心将该隔离系统调节(例如，重设)到新的力水平。这样做时，隔离系统400-1可以脱离(例如，释放)NS元件206(给予NS元件206零或者很小的正刚度)、补偿液压系统420-1 中的压力(例如，平衡液压室422和蓄压器424之间的压力)到例如大气压力，然后重新接合 NS元件206。因此，在一个实施例中，液压隔离系统400-1根据力和位置重新定位NS元件206。 [〇〇69]在一个实施例中，NS元件206的接合/脱开通过连接到(例如，可操作地连接到)NS 元件206的一个或多个致动器执行。该一个或多个致动器还可以控制NS元件的刚度，并且可以位于NS元件206与质量块201之间或者NS元件206与结构212之间的任意合适的位置(例如，NS元件的端部)。
[0070]根据本发明的一个实施例，两个或更多个压力释放阀(例如，无源压力释放阀)426 布置在相反方向上，并且被构造为当流体压力超过释放压强Pr时允许液压室422与蓄压器 424之间的流体流动(在相反方向上)。释放压力Pr的值取决于液压隔离系统400-1的应用， 所述液压隔离系统可以支撑从单个器械到整个航行器的任何东西。在一个实施例中，释放压力Pr大于负刚度元件206产生的最大力(例如，图1A所示的峰至峰力大小的一半)除以液压柱面积(例如，液压室422的面积)。在一个实施例中，隔离系统400-1感测何时压力释放阀中的一个或多个开放，并且在一个或多个压力释放阀426任然开放时通过例如脱开(例如， 释放)NS元件206并将NS元件206返回到它的不作用位置(例如，当可变负荷或质量块201基本恒定时，所述NS元件的初始居中位置)来重置NS元件206。一旦NS元件206重新接合且一个或多个压力释放阀关闭，则隔离系统400-1(例如，NS元件206)的负刚度增加。在一个实例中，因为NS元件206可以快速地接合和脱开，因此该过程可以很快发生并且是“准连续”地。 在一个实例中，该快速调节可以以大约2Hz的频率发生;但是，该过程也可以快到以100Hz的频率发生。可以根据NS元件206的稳定位移范围(例如，与图1B中的低刚度范围114相对应的位移范围)和负刚度元件的压力差范围设置释放压力(以及因此而来的容许的释放压力增量)，该释放压强可以等于或者大于负刚度元件206产生的最大力(例如，图1A所示的峰至峰力大小的一半)除以液压柱422面积。[〇〇71]图4B为根据本发明一个示例性实施例的使用单面的、主动低压液压系统420-2的液压隔呙系统400-2的功能表不。[〇〇72]除了液压隔离系统400-2使用主动液压系统而非被动的以外，图4B中示出的隔离系统400-2与上文中关于图4A说明的隔离系统400-1基本相似。
[0073]在一个实施例中，液压隔离系统400-2执行与上述相同的接合/释放过程，但是，一个或多个主动压力释放阀428的打开/关闭以及NS元件206的接合/脱开的时间直接由控制单元430控制，所述控制单元响应于关于图4A如上所述的负荷/质量块201变化。虽然一个或多个压力释放阀428是主动的，但是液压系统420-2的流体压力还是由负荷/质量块201驱动而可以不需要栗维持蓄压器424中的压力。蓄压器424可以是高压蓄压器(例如，具有高于大气压的流体压力的储存器)。[〇〇74]图4C为根据本发明一个示例性实施例的使用同时具有主动和被动阀426和428的单面的混合低压液压系统420-3的液压隔离系统400-3的功能表达。[〇〇75]图4B中所示的隔离系统400-3中使用的元件与上文关于图4A-4B说明的隔离系统 400-1和400-2中的元件基本相似，这些元件和它们的操作的说明将不再重复。[〇〇76]根据一个实施例，主动阀428可以处理较低的静态负荷变化(这可能需要低的流体速度)，而被动阀426可以被用于为调节较高的静态负荷变化。例如，主动阀428可以在低于两倍于最大负刚度力的静态负荷(即，由负刚度元件20生成的最大力或者峰至峰力大小)或者低于最大负刚度力的静态负荷的两倍的静态负荷下被触发，而被动阀428可以在大于最大负刚度力的两倍的静态负荷下被触发。[〇〇77]在一个实施例中，被动阀426的释放压力被设置为对应于比最大负刚度力更高的力，以强迫、保证被动阀426仅在该系统稳定时打开。如果阀门在液压隔离系统400-3处在不稳定区域中(在力峰值之间，如图1A所示，或者在低刚度区域114内)时打开，那么负刚度元件206可能快速通过，并且可能失去所有隔离特性直到重置系统400-3为止。主动阀428可以保证系统400-2在稳定区域(例如，接近零刚度)中操作并防止系统400-2在不稳定求你中打开阀门。
[0078]图5为根据本发明一个示例性实施例的使用双面、混合、高压的液压系统520的液压隔尚系统500的不意图。[〇〇79]图5中所示的双面液压隔离系统500类似于上文关于图4A-4C说明的单面隔离系统 400-1到400-3,区别在于与单面隔离系统400-1到400-3的实施例相比，隔离系统500使用更高压力系统520来适应更大的力(例如，更大的负荷/质量块201变化)。
[0080]根据一个实施例，代替液压蓄压器(例如，流体储存器)，双面隔离系统500包括在 NS元件206的另一端(例如，较低的一侧)处的第二液压室(例如，液压柱)523。在一个实施例中，横过两个液压室522和523的正压力偏压减小(例如，防止)空穴现象，并且允许隔离系统调节来自可能拉动流体腔的NS元件206的更大的力(相对于单面隔离系统)。在一个实施例中，液压室522连接到下液压室523,而非将上液压室522连接到蓄压器，并且隔离系统移动 (例如，往返移动)上液压室522和下液压室523之间的流体以保持NS元件206的压缩力，同时允许支撑的质量块/负荷201或结构(例如，主体)212代替PS元件208。[0081 ]在一个实施例中，隔离系统500通过将NS元件206脱开质量块201、平衡液压系统 520中的液压及重新接入NS元件206来调节(例如，适应)以改变静态力中的变化(例如，负荷/质量块201中的变化产生的)，这采用与上文关于图4A和4B的说明基本相同的方式。 [0〇82]尽管图5说明了一种包括主动压力释放阀524和被动压力释放阀526的混合液压系统，但在本发明的一些实施例中，液压系统可以不包括被动阀526或者不包括主动阀528。 [〇〇83]图6为根据本发明一个示例性实施例的使用双面液压系统的隔离系统的安装架 605的示意图。
[0084]在一个实施例中，该双面隔离系统包括安装架605,所述安装架用于支撑通过支杆 (例如，刚性内支杆或中心轴)602连接(例如，附着)到安装架605的负荷/质量块201。安装架 605可以通过安装架壳体611的侧面(例如，左侧面和右侧面)连接到结构(例如，主体)，并且用于降低(例如，防止)质量块/负荷和结构之间的振动传送。在一个实施例中，安装架605包括上液压室和下液压室(例如，第一液压室或液压柱和第二液压室或液压柱)622和623以及 DC偏移阀627，该DC偏移阀可以包括上文中关图4A-4C和图5说明的主动和/或被动压力释放阀。DC偏移阀627用于当上液压室622和下液压室623的压力差超过阈值时通过允许转移两个液压室622和623之间的流体平衡上液压室622和下液压室623中的流体压力。在一个实施例中，所述阈值可以是与等于或大于最大负刚度力并低于最大负刚度力的五倍的力相对应的压力。在一个实施例中，每个室的压力通过压力传感器监测，该压力传感器可以定位在液压室内。[〇〇85]在一个实施例中，高刚度元件(例如，高刚度橡胶安装架)608同时用作正刚度元件和阻尼器，并可以包括一对橡胶盘，并且在中心处可以连接到支杆602且在外边界处连接到安装架壳体611。吧元件606可以包括一对带扣的盘，并且在一端(例如，基部)上可以通过安装架壳体611连接到(例如，锚定到)结构，同时NS元件606的另一端可以在液压室622和623 之间自由浮动而不连接到刚性支杆602。在一个实施例中，NS元件606的浮动端被构造成通过例如0型环或其它流体密封装置沿着支杆602的长度滑动。在一个实施例中，上液压室和下液压室622和623中的每一个包括形成在高刚度元件608的一侧和NS元件206的相应的一侧之间的空腔。因此，上液压室622和下液压室623中的每一个的一侧可以通过高刚度元件 608连接到(例如，刚性连接到)负荷/质量块201。[〇〇86] NS元件606的刚度可以通过连接(例如，可操作地连接)在NS元件606的基部与结构之间的致动器610控制。
[0087]图7为根据本发明一个示例性实施例的用于在不改变NS元件的刚度的情况下调节负刚度元件的连接性的双面液压隔离系统700的示意图。[〇〇88]图7中所示的双面液压隔离系统700分别类似于上文中关于图4A-4C和图5说明的单面隔离系统400-1到400-3和双面隔离系统500,并且包括相似的元件，关于这些元件的说明在这里不再重复。
[0089]根据一些实施例，双面液压隔离系统700使用液压系统720,所述液压系统720在不改变NS元件206的刚度的情况下能够仅通过调节NS元件206相对于质量块/负荷201的期望量的位置来响应静态力的不平衡。
[0090]液压系统720包括第一液压室和第二液压室(第一液压柱和第二液压柱)722和 723，每个通过阀门中的两个或更多个(例如，可控制单向阀)724a-b和725a-b连接到高压蓄压器(例如，高压储存器)726a和低压蓄压器(例如，低压储存器)726b中的一个或多个。阀 724a-b和725a-b中的每一个可以被控制为在三种状态下操作:关闭(例如，OFF)、打开(ON) 并允许单向流动、以及打开(ON)并允许反向流动。液压系统720还可以包括第一致动器728 和第二致动器730,所述第一致动器可以同时(例如，同步地)推/拉液压室722和723(例如， 从一个液压室抽吸流体并推到另一个中)，所述第二致动器可以用于提高或降低高压蓄压器726a中的压力。在一个实施例中，致动器728可以包括用于在相反方向上推动的两个或更多个对抗活塞，由此获得推/拉作用。[〇〇91]每当隔离系统700被适当地调节(例如，不存在静态失衡)并且NS元件206关于它的中立位置(例如，中心位置或者完全压缩的状态)振动时，液压系统720不被激活(“锁定的”)。
[0092]在静力不平衡的情况中，液压系统720可以通过使用第一液压室和第二液压室722 和723中的一个或多个压力传感器、NS元件206上的位移传感器和/或类似传感器检测该不平衡。在一个实施例中，NS元件206可以被第一和第二致动器728和730中的一个或多个主动地驱动回到它的中心位置。根据一个实施例(例如，“高力”系统)，阀724a平衡液压室722和 723之间的压力，然后关闭。随后，第一致动器728可以将足够量的流体从第一液压室722推动到第二液压室723(或者，反之亦然)，以将NS元件206返回到它的中立位置。在失衡时NS元件206保持抵抗“硬停止”的实施例中，第一致动器728的行程是固定的，可以使用螺线管作为致动器。然而，本发明的实施例并不限于此，可以使用(应用)任意的其它致动器，包括栗、 电动机、伺服电动机、形状记忆致动器、气动致动器或类似致动器。根据一个实施例(例如， “低力”系统)，第二致动器730可以代替第一致动器728使用(应用)或者与第一致动器728— 起使用(应用)，以将NS元件206返回到它的中立位置(同时阀724a打开)。[〇〇93]根据本发明的一些实施例，液压系统720通过储存来自DC偏移或蓄压器726a中的系统振动的压力、然后以控制方式使用储存的压力以将NS元件206返回到中立位置来调节 NS元件206到中立位置，不需要任何外部能量(用于移动液压流体)。最初，蓄压器726a可以处于低压力下。在一个实例中，蓄压器726a可以通过阀732被平衡到蓄压器726b中的压力。 当NS元件206被检测到由于液压室722和723中的一个内高压而不在适当的位置时，可以打开阀724a或725a以将该压力传递到蓄压器726a。一旦蓄压器726a内的压力达到阈值压力， 则可以关闭阀724a或725b，并且阀724b或725b可以将液压室723和724中的压力平衡到低压力，然后关闭。最后，通过再次打开阀724a或725b以及相对的低压阀724b或725b、使用储存在蓄压器726a中的压力克服NS元件206的负刚度将NS元件206推回到中立位置。达到中立位置时，可以关闭阀724a-b和725a-b。
[0094]在静力仅有轻微(或中度)变化的情况中，液压室722/723内可能没有足够的增大压力以充分控制蓄压器726a。为进一步增加到液压系统720的坚固性，第二致动器730可以用于增加蓄压器726a内的压力，以补偿液压室722/723内的不充足的压力增长。当液压室 722/723中没有足够的压力时，除了第二致动器730或者代替第二致动器730,第一致动器 728可以用于(使用于)执行与蓄压器726a基本相同的功能。[〇〇95] 在一个实施例中，第一致动器和第二致动器728和730中的一个或多个可以连接到大的相关技术的加压的液压或气动系统，以向任何静力失衡提供更快和/或更精确的响应。 在一个实例中，位置传感器可以检测NS元件206的位置，伺服阀(使用系统压力)可以驱动NS元件206到它的中立位置。闭环控制系统，例如上文所述的一个，可以足以保持隔离，致动器 728和/或730可以仅以低频负荷变化(例如，静态负荷变化)的速率移动。
[0096]根据本发明的一些实施例，液压流体可以是不可压缩的(S卩，压力变化时它的体积保持基本恒定)。然而，本发明的实施例不限于此，相反地，而是可以包括适当的可压缩流体。
[0097]在本发明的实施例中，液压隔离系统可以包括任意适当类型的一个或多个致动器，例如活性材料(例如，压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料、电活性聚合物以及介电弹性体)、伺服电动机、步进电动机、螺线管、超声波驱动器、音圈、液压系统、楔形物、杠杆、 锥形轴和/或类似装置。
[0098]根据本发明的一些实施例，一个或多个传感器被构造为测量或检测液压隔离系统的一个或多个情况，例如，举例来说，被隔离的质量块或负荷的位置、一个或多个刚度元件 (例如，NS和/或PS元件)的位置、一个或多个刚度元件上的应变、一个或多个液压室内的流体压力、液压隔离系统的温度和/或类似情况。此外，一个或多个传感器可以被构造为检测和/或测量一体形成有液压隔离系统的结构或系统的一个或多个情况。举例来说，在液压隔离系统被安装在车辆内的实施例中，一个或多个传感器可以被构造为收集外部信息，例如每分钟引擎转数(RPM)、速度、制动、转向输入和/或类似信息。所述一个或多个传感器可以是适于检测和/或测量NS离合系统的相关状态的任何类型的传感器，例如位置传感器(例如，线性可变差动变压器(LVDT)传感器、光学传感器和/或基于激光的传感器)、应变传感器、为一个或多个刚度元件(例如，NS和/或PS元件)提供负荷信息的测压传感器(例如，惠斯登电桥配置中的应变计)、补偿热效应的温度传感器和/或类似传感器。所述一个或多个传感器可以被构造为向控制系统发送一个或多个信号，该控制系统根据来自一个或多个传感器的一个或多个输入信号驱动致动器以膨胀或收缩。[〇〇99]虽然已经结合上述说明性实施例对本发明进行了详细说明，但是这里描述的实施例并不意在详尽说明或将本发明的范围限制为所公开的确切形式。本发明所属技术领域的人员将会理解，在不有意背离本发明的原理、精神和范围，如前所述的权利要求和同等项的情况下，对所述的整体和操作的结构和方法的修改和变化都可以实施。虽然在此已经使用了相关术语，例如“外部”、“内部”、“上”、“下”以及类似术语来说明一个元件与另一个元件的空间关系，但是应当理解的是，这些术语意在包含除附图中所描述的方向之外的本发明的多种元件和部件的不同方位。此外，在此使用的术语“基本上”、“大约”以及类似术语用作相近术语而不是程度术语，并且意在说明本领域技术人员应当理解的测量或计算值中的固有偏差。此外，如这里所使用的，当部件被称为在另一个部件“上”时，它可以直接位于另一个元件上或者也可以在他们之间存在其它部件。此外，当部件被称为“親合”到或“连接”到另一个部件时，它可以直接连接到另一个部件或者在它们之间存在介入的部件。
【主权项】
1.一种构造用于支撑可变负荷的可变刚度结构，所述可变刚度结构包括:正刚度元件，所述正刚度元件连接到所述可变负荷；负刚度元件;和液压系统，所述液压系统连接到所述正刚度元件和所述负刚度元件，并且当所述可变 刚度结构支撑所述可变负荷时，所述液压系统被构造为响应所述可变负荷中的变化调节所 述正刚度元件与所述负刚度元件的相对位置。2.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中:所述正刚度元件被构造为将所述可变负荷连接到外部主体；以及所述负刚度元件被构造为将所述可变负荷的振动与所述外部主体隔离。3.根据权利要求2所述的可变刚度结构，其中:所述可变负荷中的所述变化产生所述可变负荷和所述外部主体的所述相对位置的位 移，超过位移的可操作范围，在所述可操作范围内，所述负刚度元件向所述可变刚度结构的 总刚度常数提供负刚度常数;以及响应于所述可变负荷中的所述变化，所述液压系统被构造为通过施加流体压力以调节 所述正刚度元件和所述负刚度元件的所述相对位置将所述可变刚度结构返回到所述位移 的可操作范围。4.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述可变刚度结构被构造为由于所述正 刚度元件与所述负刚度元件的相对位置响应于所述可变负荷的变化而被调节而保持基本 恒定的刚度。5.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述正刚度元件被构造为向所述可变刚 度结构的总刚度常数提供正刚度常数。6.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统包括致动器，并且被构造 为在调节所述正刚度元件与所述负刚度元件的所述相对位置之前脱离所述负刚度元件以 及在调节所述正刚度元件与所述负刚度元件的所述相对位置之后重新接合所述负刚度元 件。7.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统包括:液压室，所述液压室连接到所述负刚度元件；蓄压器;和阀系统，所述阀系统被构造为使流体在所述液压室与所述蓄压器之间移动，其中，响应于所述可变负荷变化，所述液压室被构造为在所述负刚度元件上施加流体 压力，以调节所述负刚度元件相对于所述正刚度元件的位置。8.根据权利要求8所述的可变刚度结构，其中，所述阀系统被构造为根据所述可变负荷 中的变化升高或降低所述液压室内的所述流体压力。9.根据权利要求7所述的可变刚度结构，其中，所述阀系统包括在相反方向上布置的两 个或更多个压力释放阀，所述压力释放阀被构造为当所述液压室或所述蓄压器中的流体压 力超过释放压力时允许所述液压室与所述蓄压器之间的流体流动。10.根据权利要求9所述的可变刚度结构，其中，所述两个或更多个压力释放阀包括被 动阀。11.根据权利要求7所述的可变刚度结构，其中，所述阀系统包括被动阀和主动阀中的一个或多个。12.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统包括:第一液压室，所述第一液压室连接在所述负刚度元件与所述可变负荷之间；第二液压室，所述第二液压室连接在所述负刚度元件和主体之间;和阀系统，所述阀系统被构造为响应于所述可变负荷中的所述变化使流体在所述第一液 压室和所述第二液压室之间移动，以调节所述负刚度元件相对于所述正刚度元件的所述位 置。13.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述正刚度元件包括第一橡胶盘和第 二橡胶盘，并且所述正刚度元件通过内支杆连接到所述可变负荷。14.根据权利要求13所述的可变刚度结构，其中，所述负刚度元件包括一对带扣的盘， 所述盘具有连接到主体的第一端部和被构造为沿着所述内支杆的长度滑动的第二端部。15.根据权利要求14所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统包括:第一液压室，所述第一液压室位于所述第一橡胶盘和所述负刚度元件之间；第二液压室，所述第二液压室位于所述第一橡胶盘和所述负刚度元件之间;和 阀系统，所述阀系统被构造为响应于所述可变负荷中的所述变化在所述第一液压室和所述第二液压室之间移动流体，以调节所述负刚度元件相对于所述内支杆的所述位置。16.根据权利要求15所述的可变刚度结构，其中，当所述阀系统调节所述负刚度元件相 对于所述内支杆的所述位置时，所述负刚度元件的刚度保持基本上恒定。17.根据权利要求1所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统包括:第一液压室，所述第一液压室连接在所述负刚度元件与所述可变负荷之间；第二液压室，所述第二液压室连接在所述负刚度元件与主体之间；第一蓄压器;和阀系统，所述阀系统被构造为使流体在所述第一蓄压器与所述第一液压室和所述第二 液压室之间移动，其中，所述第一液压室和所述第二液压室中的每一个被构造为响应于所述可变负荷中 的所述变化在所述负刚度元件上施加流体压力，以调节所述负刚度元件相对于所述正刚度 元件的所述位置。18.根据权利要求17所述的可变刚度结构，其中，所述阀系统被构造为根据所述可变负 荷中的所述变化升高或降低所述第一液压室和所述第二液压室内的流体压力。19.根据权利要求17所述的可变刚度结构，其中，所述阀系统被构造为根据所述可变负 荷中的所述变化平衡所述第一液压室和所述第二液压室之间的流体压力。20.根据权利要求17所述的可变刚度结构，还包括连接到所述第一液压室和所述第二 液压室中的一个的传感器，其中，所述传感器被构造为感测所述第一液压室和所述第二液压室中的一个内的流体 压力，和其中，所述阀系统还被构造为根据所述感测的流体压力控制所述负刚度元件的所述刚度。21.根据权利要求17所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统还包括第一致动器，所 述第一致动器被构造为将流体从所述第一液压室和所述第二液压室中的一个推动到所述第一液压室和所述第二液压室中的另一个中。22.根据权利要求17所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统还包括被构造为增加或 降低所述第一蓄压器中的流体压力的第二致动器。23.根据权利要求17所述的可变刚度结构，其中，所述液压系统还包括:第二蓄压器，其中，所述阀系统进一步被构造为使流体在所述第二蓄压器与所述第一液压室和所述 第二液压室之间移动。24.—种隔尚系统，包括:主体；可变负荷;和权利要求1中所述的可变刚度结构，所述可变刚度结构连接到所述主体和所述可变负 荷，并且所述可变刚度结构被构造为在存在所述可变负荷内的变化时将所述可变负荷的振 动与所述主体隔离。25.根据权利要求24所述的隔离系统，其中，所述液压系统包括:液压室，所述液压室连接到所述负刚度元件；蓄压器;和阀系统，所述阀系统被构造为使流体在所述液压室与所述蓄压器之间移动，其中，所述液压室被构造为响应于所述可变负荷中的所述变化在所述负刚度元件上施 加流体压力，以调节所述负刚度元件相对于所述正刚度元件的所述位置。26.根据权利要求24所述的隔离系统，其中，所述隔离系统包括:第一液压室，所述第一液压室连接在所述负刚度元件与所述可变负荷之间；第二液压室，所述第二液压室连接在所述负刚度元件与所述主体之间;和阀系统，所述阀系统被构造为响应于所述可变负荷中的所述变化使流体在所述第一液 压室与所述第二液压室之间移动，以调节所述负刚度元件相对于所述正刚度元件的所述位 置。27.—种用于存在可变负荷中的变化时从主体隔离所述可变负荷的振动的系统，所述 系统包括:正刚度元件，所述正刚度元件连接到所述可变负荷；负刚度元件;和用于响应于所述可变负荷中的变化调节所述正刚度元件和所述负刚度元件的相对位 置的装置。
【文档编号】F16F15/027GK105960546SQ201480074732
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2014年12月4日
【发明人】C·B·邱吉尔, G·A·赫雷拉, G·P·麦克奈特, J·J·米库尔斯基
【申请人】Hrl实验室有限责任公司