高线性度准零刚度隔振器的制造方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供高线性度准零刚度隔振器，包括支撑板、上下框架、八组水平弹簧机构、八组连杆机构、一组三永磁体机构、四组垂向支撑机构以及底座，支撑板上加工有安装孔，上框架安装有四组水平弹簧机构，与支撑板之间采用螺栓连接；下框架上安装有四组水平弹簧机构，通过四组垂向支撑机构与底座连接；上下框架之间采用螺栓连接；八组水平弹簧机构与三永磁体机构之间安装有连杆机构，采用销连接；上下框架连接处中部设计有凹槽，用以固定三永磁体机构的中永磁体。本发明实现了主要非线性刚度项的抵消，确保了准零刚度隔振器的高线性度，高线性度的实现使得准零刚度的动力学行为更加稳定，隔振性能更优，可更好的用于振动的控制。
【专利说明】
高线性度准零刚度隔振器
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种隔振装置，具体地说是可用于低频隔振领域的隔振装置。
【背景技术】
[0002] 近些年，准零刚度隔振器因其优异的高静态刚度、低动态刚度特性得到了越来越 多的关注，实现准零刚度的方式亦多种多样，其中较为典型的方法有:机械弹簧式、永磁体 式、橡胶弹黃式以及电磁铁式（[1]R.A. Ibrahim. "Recent advances in nonlinear passive vibration isolators."J.Sound Vib,2008)。然而，上述这些方案所实现的准零 刚度特性往往存在线性度差的问题，换言之，其在实现准零刚度特性的同时不得不附加一 些非线性刚度，且有时所附加的非线性很强。
[0003] 公开为CN 102606673 B的专利给出了一种利用受压水平弹簧来实现负刚度的准 零刚度弹簧隔振器结构，指出该结构存在承重不可调的缺点，并给出了一种利用电磁弹簧 技术的承重可调准零刚度电磁隔振器及其控制方法。分析该专利所给出理论推导及刚度曲 线可以看出：该专利在实现准零刚度的同时明显会附加一些非线性刚度，且所附加的非线 性特性在偏离静平衡位置较大时更为明显。
[0004] 公开号为CN 104033535 B的专利综合利用机械弹簧式以及永磁体式准零刚度技 术的同时加以辅助调节装置，提出了一款适用于低频振动的三维隔振装置。所涉及水平单 一方向上永磁体式准零刚度结构包括三个在同一直线上呈等间距布置，且中间滑动磁铁与 上下固定磁铁之间呈相互吸引布置。已有研究指出，该种永磁体式准零刚度技术在实现的 同时会引入立方非线性刚度，其动力学行为更加复杂（[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] 综上所述，非线性(尤其是强非线性)的存在不但会对系统的动力学特性产生非常 大的影响，并且使其在主动控制领域非常难于控制。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供实现主要非线性刚度项相互抵消的高线性度准零刚度隔 振器。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] 本发明高线性度准零刚度隔振器，其特征是:包括支撑板、上框架、下框架、底座、 中心轴、水平弹簧机构，上框架和下框架固定在一起，支撑板固定在上框架上方，底座设置 在下框架下方，下框架与底座之间设置弹簧，上框架的中心通过上永磁体安装盖和上永磁 体安装座安装上永磁体，下框架的中心通过下永磁体安装盖和底座安装下永磁体，上框架 和下框架配合处固定中永磁体，中心轴下端固定在底座上，中心轴上端依次穿过下永磁体、 中永磁体、上永磁体，中心轴分别与下永磁体和上永磁体固定，中心轴与中永磁体之间通过 轴承配合，中心轴上套有上机械弹簧和下机械弹簧，上机械弹簧设置在上永磁体和中永磁 体之间，下机械弹簧设置在中永磁体和下永磁体之间；
[0009] 上框架以上永磁体为中心伸出第一-第四上悬臂梁，下框架以下永磁体为中心伸 出第一-第四下悬臂梁，所述水平弹簧机构包括第一水平弹簧单元和第二水平弹簧单元，第 一水平弹簧单元包括弹簧安装座、滑块、直线导轨、连杆机构，弹簧安装座里安装水平弹簧， 水平弹簧连接滑块，滑块安装在直线导轨上，连杆机构包括第一连杆、第二连杆以及安装在 第一连杆和第二连杆之间的两个滚动轴承，第一销轴和第二销轴均穿过第一连杆和第二连 杆，并分别与一个滚动轴承相配合，第二水平弹簧单元与第一水平弹簧单元结构相同；第一 上悬臂梁上安装第一水平弹簧单元，第一水平弹簧单元的弹簧安装座和直线导轨与第一上 悬臂梁相连，第一销轴安装在滑块上，第二销轴安装在上永磁体安装座上，第一连杆和第二 连杆顶在滑块上并推动滑块移动，第二-第四上悬臂梁上也安装第一水平弹簧单元，其安装 方式与第一上悬臂梁相同；第一下悬臂梁上安装第二水平弹簧单元，第二水平弹簧单元的 弹簧安装座和直线导轨与第一下悬臂梁相连，第一销轴安装在滑块上，第二销轴安装在底 座上，第一连杆和第二连杆顶在滑块上并推动滑块移动，第二-第四下悬臂梁上也安装第二 水平弹簧单元，其安装方式与第一下悬臂梁相同。
[0010] 本发明还可以包括：
[0011] 1、弹簧安装座里设置导槽，导槽里安装调节螺母，调节螺母与水平弹簧相连，调节 螺母里安装调节螺栓，调节螺栓伸出端与弹簧安装座之间安装推力轴承。
[0012] 2、中永磁体与上永磁体和下永磁体皆呈极性相吸布置。
[0013] 3、下框架与底座之间的弹簧内部装有导向轴，导向轴的下端与底座固定，导向轴 的上端穿过下框架并与下框架配合，导向轴与下框架配合处安装直线轴承。
[0014] 本发明的优势在于:本发明针对现有准零刚度隔振器在实现准零刚度时不得不引 入非线性刚度项这一技术问题，综合利用具有渐硬刚度特性的机械弹簧式准零刚度结构以 及具有渐软刚度特性的永磁体式准零刚度结构，合理调整结构参数，实现主要非线性刚度 项的相互抵消，最终提供一种高线性度准零刚度隔振器，同时给出了其机构参数需要满足 的一些必要条件，实现更宽的隔振频带，增强低频隔振能力及动力学稳定性。
[0015] 本发明首次提出了一种综合利用分别具有渐硬与渐软特性的准零刚度结构的准 零刚度隔振器，并通过合理调整结构参数，实现了主要非线性刚度项的抵消，确保了准零刚 度隔振器的高线性度，这一点是现有发明所做不到的。高线性度的实现使得准零刚度的动 力学行为更加稳定，隔振性能更优，可更好的用于振动问题(尤其是低频振动领域)的控制。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的结构原理图；
[0017] 图2为本发明正等测图；
[0018]图3为本发明剖视图；
[0019]图4为上框架正三轴测图；
[0020]图5为下框架正三轴测图；
[0021]图6为水平弹簧机构正三轴测图；
[0022]图7为连杆机构爆炸图；
[0023]图8为三永磁体机构正三轴测图；
[0024]图9为垂向支撑机构半剖图；
[0025]图10为不同结构参数下的力-位移曲线图；
[0026]图11为不同结构参数下的刚度-位移曲线图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0028]结合图1-11，本发明高线性度准零刚度隔振器，包括支撑板1、上下框架、八组水平 弹簧机构、八组连杆机构、一组三永磁体机构、四组垂向支撑机构以及底座22。支撑板1上加 工有安装通孔，用于支撑被隔振物体，并通过螺栓与上框架14连接。八组水平弹簧机构分别 安装于上下框架所伸出的悬臂梁之上，上框架14与下框架21各安装四组，水平弹簧机构与 三永磁体机构之间设计有连杆机构，通过销连接。上框架14与下框架21之间采用螺栓固定， 两者配合处设计有凹槽，用以固定三永磁体机构的中永磁体17。此外，下框架21与底座22之 间设计有四组垂向支撑机构，用以提供正刚度支撑。需要说明的是，上框架14与下框架21皆 采用不导磁的304不锈钢加工制作，避免对中永磁体17的磁场分布产生影响。
[0029]图6为本发明高线性度准零刚度隔振器中水平弹簧机构的正三轴测图。所述水平 弹簧机构包括弹簧安装座2、调整螺栓10、推力轴承11、调节螺母12、机械弹簧9、滑块15以及 直线导轨16。机械弹簧9在工作时始终处于压缩状态，其一端固定于弹簧安装座2卡槽内的 调节螺母12之上，另一端随滑块15而沿着直线导轨16单向自由移动。弹簧安装座2和直线导 轨16皆通过螺栓与上下框架的悬臂梁相连接。此外，为实现机械弹簧9固定端位置的人工可 调节，弹簧安装座2内部设计有调整螺栓10、推力轴承11以及调节螺母12等部件，调节螺母 12卡于弹簧安装座2的导槽之中，用以抵住机械弹簧9,同时与调节螺栓10之间通过螺纹配 合;调节螺栓10与弹簧安装座2之间安装有推力轴承11，用以减少两者之间的摩擦力；调节 螺栓10上加工有十字通孔，当调节螺栓10转动时，带动调节螺母12水平位置的变化，进而可 实现机械弹簧9固定端位置的可调。
[0030]图7为本发明高线性度准零刚度隔振器中连杆机构的爆炸图。所述连杆机构包括 第一连杆6、滚动轴承7以及第二连杆8。第一连杆6与第二连杆8之间并排紧贴连接，两者通 过螺栓予以固定;滚动轴承7安装于第一连杆6与第二连杆8之间的凹槽之内，用以尽可能减 少连杆工作时与销之间的摩擦力。
[0031]图8为本发明高线性度准零刚度隔振器中三永磁体机构的正三轴测图。所述三永 磁体机构包括上永磁体3、上永磁体安装盖4、上永磁铁安装座5、中心轴13、机械弹簧18、中 永磁体17、下永磁体19、下永磁体安装盖20以及底座22。上永磁体安装盖4与上永磁体安装 座5之间通过螺栓连接，用以固定上永磁体3;下永磁体安装盖20与底座22之间通过螺栓连 接，用以固定下永磁体19;中永磁体17固定于上下框架之间的凹槽之内，与上下永磁体皆呈 极性相吸布置并在之间安装有铜质机械弹簧18。中心轴13自上而下依次穿过上述部件，与 上永磁体安装盖4和底座22通过螺栓连接予以固定。需要说明的是，上下永磁体所接触零部 件皆采用不导磁的304不锈钢加工制作，避免对其磁场分布产生影响。
[0032]图9为本发明高线性度准零刚度隔振器中垂向支撑机构的半剖图。所述垂向支撑 机构包括直线轴承24、导向轴25以及机械弹簧23。机械弹簧23通过弹簧座安装于下框架21 与底座22之间，用于支撑被隔振物体;机械弹簧23内部安装有导向轴25,用以保证隔振器在 应用时不会发生侧偏；导向轴25的下端通过螺栓与底座22固定，其上端穿过下框架21上的 通孔;下框架21与导向轴25连接处安装有直线轴承24,用以降低两者之间的摩擦力。
[0033] 如图1、2所示，被隔振物体置于支撑板1上，上框架14和下框架21产生位移，机械弹 簧23产生缓冲作用，上永磁体3和下永磁体19位置不变，中永磁体17随上框架14和下框架21 沿中心轴13移动，上永磁体3、中永磁体17、下永磁体19之间的弹簧18被压缩或拉伸，第一连 杆6和第二连杆8绕第一销轴和第二销轴产生旋转，从而对水平弹簧产生力的作用。
[0034] 高线性度准零刚度隔振器结构参数的确定方法为：
[0035] 1、对图1所示的高线性度准零刚度隔振器模型进行受力分析，系统弹性恢复力合 力f为：
[0037]其中，f表示系统弹性恢复力合力，X表示系统相对静平衡位置的偏移量，kvl表示垂 向支撑结构中机械弹簧的刚度大小，kv2表示三永磁体机构中机械弹簧的刚度大小，kh表示 水平弹簧机构中机械弹簧的刚度大小，b表示连杆与三永磁体机构连接端到水平弹簧机构 中机械弹簧的固定端的距离，1。表示水平弹簧机构中机械弹簧的原长度，a表示连杆有效长 度，d表示系统处于静平衡位置时中永磁体与上下永磁体的距离，(^表示可由实验测定的磁 常数。
[0038] 2、为便于后续分析，规定所有垂向弹簧的刚度大小皆为kv，即kvl = kv2 = kv，并对弹 性恢复力f的表达式进行无量纲化处理，可得无量纲恢复力/为：
[0043]需要说明的是，/、?、μ、?、λ和δ均代表无量化参数，Xs为弹簧处于原长时隔振系 统偏离静平衡位置的距离。
[0044] 3、利用泰勒展开对无量纲恢复力/在静平衡位置(i = 0 )处展开，可得：
[0049] 4、由准零刚度条件(α = 0)得：
[0051]当隔振器结构参数依照该式确定时，隔振系统具有准零刚度特性。
[0052] 5、由高线性度条件(β = 0)得：
[0054]当隔振器结构参数依照该式确定时，隔振系统可实现极高的线性度。
[0055] 6、综合考虑步骤4与步骤5,确定实现准零刚度以及高线性度时隔振器结构参数之 间应该满足的关系。
[0056] 图10、图11分别为高线性度准零刚度隔振器在不同结构参数δ下的力特性曲线与 刚度特性曲线。固定参数为μ=1，λ = 0.5,/ = 0.5，:满足如步骤4所示准零刚度条件。通过图 10、图11可以看出，当隔振器满足步骤5所确定的高线性度条件时（即δ = 〇.5,如两图中的实 线所示)时，系统非线性得到了极大的降低，可实现高线性准零刚度特性;否则，系统非线性 无法得到消除。
【主权项】
1. 高线性度准零刚度隔振器，其特征是:包括支撑板、上框架、下框架、底座、中心轴、水 平弹簧机构，上框架和下框架固定在一起，支撑板固定在上框架上方，底座设置在下框架下 方，下框架与底座之间设置弹簧，上框架的中心通过上永磁体安装盖和上永磁体安装座安 装上永磁体，下框架的中心通过下永磁体安装盖和底座安装下永磁体，上框架和下框架配 合处固定中永磁体，中心轴下端固定在底座上，中心轴上端依次穿过下永磁体、中永磁体、 上永磁体，中心轴分别与下永磁体和上永磁体固定，中心轴与中永磁体之间通过轴承配合， 中心轴上套有上机械弹簧和下机械弹簧，上机械弹簧设置在上永磁体和中永磁体之间，下 机械弹簧设置在中永磁体和下永磁体之间； 上框架以上永磁体为中心伸出第一-第四上悬臂梁，下框架以下永磁体为中心伸出第 一-第四下悬臂梁，所述水平弹簧机构包括第一水平弹簧单元和第二水平弹簧单元，第一水 平弹簧单元包括弹簧安装座、滑块、直线导轨、连杆机构，弹簧安装座里安装水平弹簧，水平 弹簧连接滑块，滑块安装在直线导轨上，连杆机构包括第一连杆、第二连杆以及安装在第一 连杆和第二连杆之间的两个滚动轴承，第一销轴和第二销轴均穿过第一连杆和第二连杆， 并分别与一个滚动轴承相配合，第二水平弹簧单元与第一水平弹簧单元结构相同；第一上 悬臂梁上安装第一水平弹簧单元，第一水平弹簧单元的弹簧安装座和直线导轨与第一上悬 臂梁相连，第一销轴安装在滑块上，第二销轴安装在上永磁体安装座上，第一连杆和第二连 杆顶在滑块上并推动滑块移动，第二-第四上悬臂梁上也安装第一水平弹簧单元，其安装方 式与第一上悬臂梁相同；第一下悬臂梁上安装第二水平弹簧单元，第二水平弹簧单元的弹 簧安装座和直线导轨与第一下悬臂梁相连，第一销轴安装在滑块上，第二销轴安装在底座 上，第一连杆和第二连杆顶在滑块上并推动滑块移动，第二-第四下悬臂梁上也安装第二水 平弹簧单元，其安装方式与第一下悬臂梁相同。2. 根据权利要求1所述的高线性度准零刚度隔振器，其特征是：弹簧安装座里设置导 槽，导槽里安装调节螺母，调节螺母与水平弹簧相连，调节螺母里安装调节螺栓，调节螺栓 伸出端与弹簧安装座之间安装推力轴承。3. 根据权利要求1或2所述的高线性度准零刚度隔振器，其特征是：中永磁体与上永磁 体和下永磁体皆呈极性相吸布置。4. 根据权利要求1或2所述的高线性度准零刚度隔振器，其特征是：下框架与底座之间 的弹簧内部装有导向轴，导向轴的下端与底座固定，导向轴的上端穿过下框架并与下框架 配合，导向轴与下框架配合处安装直线轴承。5. 根据权利要求3所述的高线性度准零刚度隔振器，其特征是:下框架与底座之间的弹 簧内部装有导向轴，导向轴的下端与底座固定，导向轴的上端穿过下框架并与下框架配合， 导向轴与下框架配合处安装直线轴承。
【文档编号】F16F15/067GK106090115SQ201610423635
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201610423635.1, CN 106090115 A, CN 106090115A, CN 201610423635, CN-A-106090115, CN106090115 A, CN106090115A, CN201610423635, CN201610423635.1
【发明人】刘学广, 韩超, 吴牧云
【申请人】哈尔滨工程大学