准零刚度隔振器及其设计方法

1.本发明属于隔振器技术领域，具体涉及一种准零刚度隔振器及其设计方法。


背景技术：

2.高端制造业对隔振设备的性能要求严苛，尤其在航空、航天、精密仪器与特种运输等领域。隔振设备主要为隔振器，隔振器是连接设备和基础的弹性元件，用以减少和消除由设备传递到基础的振动力和由基础传递到设备的振动。
3.传统的隔振器由双稳态负刚度结构与线性弹簧并联构成，该结构在使用过程中无法避免使用多稳态结构，在隔振器的结构稳定性方面存在安全隐患，并且振幅较大的情况下平衡点易切换，产生结构失稳(如梁板屈曲突跳)，隔振失效甚至放大振幅，发生安全事故。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种准零刚度隔振器及其设计方法，旨在解决传统隔振器结构容易切换平衡点造成失稳，存在安全隐患的技术问题。
5.第一方面，本发明实施例提供一种准零刚度隔振器，包括：
6.底座；
7.导向仓，设于所述底座，所述导向仓的轴向平行于上下方向，所述导向仓内设有压杆，所述压杆的底端与所述导向仓的内底壁之间设有第一弹簧，所述第一弹簧具有使所述压杆伸出于所述导向仓顶面的预紧力；
8.导轨，设于所述底座，且沿上下方向延伸；
9.承载组件，包括承载板，所述承载板上设有与所述导向仓滑动配合的通孔、与所述压杆固接的连接部，以及与所述导轨滑动配合的滑动部；
10.连杆组件，包括通过转轴转动配合的第一连接杆和第二连接杆，所述转轴处于所述承载板的竖直投影范围内，所述第一连接杆背离所述转轴的一端与所述承载板转动配合，所述第二连接杆背离所述转轴的一端与所述底座转动配合；
11.第二弹簧，连接于所述导轨和所述转轴之间，所述第二弹簧水平设置。
12.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，在使用时，将待隔离的物体安装在承载板上，物体初放置的时候由于自重使得承载板发生初步的位移，在进行上下振幅的过程中，承载板带动压杆挤压或拉伸导向仓内的第一弹簧，并且随着承载板的上下移动，连杆组件的竖直高度随承载板的高度变化而变化，第一连接杆和第二连接杆之间的转轴发生水平位移，转轴水平位移时拉动或挤压第二弹簧，实现隔振效果。本发明准零刚度隔振器中的连杆组件连接在承载板和底座之间，在承载板上下运动的过程中，转轴始终处于承载板的竖直投影范围内，例如向下变化的时候，转轴靠近过承载板中心的竖直线，此时整体的体积减小，承载能力更高，因此隔振效果更好，相比于传统结构可有效避免失稳情况的发生，安全系数更高。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述转轴端部与所述第二弹簧之间通过挂接板连接，所述挂接板上设有长圆孔，所述长圆孔的一端与所述转轴端部配合，所述长圆孔另一端安装有插杆，所述第二弹簧的一端套设于所述插杆。
14.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述承载板的底部设有第一连接座，所述底座的顶部设有第二连接座，所述第一连接座和所述第二连接座上均设有连接耳板，所述第一连接杆背向所述转轴的一端与所述第一连接座上的连接耳板转动配合，所述第二连接杆背向所述转轴的一端与所述第二连接座上的连接耳板转动配合。
15.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述承载板为圆形板，所述导向仓和所述导轨绕所述承载板的轴向均匀分布。
16.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述导向仓上设有沿其径向贯穿的滑槽，所述滑槽沿上下方向延伸；
17.所述承载板上设有横杆，所述横杆的两端分别固设于所述通孔的内壁，并与所述通孔的径向平行，所述横杆与所述压杆固接，且与所述滑槽滑动配合，所述横杆形成所述连接部。
18.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述承载组件还包括连接于所述承载板的法兰轴承，所述法兰轴承形成所述滑动部。
19.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述承载板的外周面与所述导轨间隔分布，所述承载组件还包括固设于所述承载板上的基座，所述法兰轴承连接于所述基座并凸出于所述承载板的外周。
20.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述导向仓还包括：
21.仓体；
22.仓座，设于所述仓体内底部，并与所述底座连接；
23.固定片，压设于所述第一弹簧顶端，所述固定片与所述压杆的底端固接；
24.所述第一弹簧抵接于所述固定片和所述仓座之间。
25.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述承载板的中部设有减重孔，所述承载板上还设有位于所述减重孔内的交叉臂，所述交叉臂与所述减重孔的内壁固接，以承托被隔离物体。
26.第二方面，本发明实施例还提供了一种准零刚度隔振器的设计方法，用于对上述准零刚度隔振器进行校验，包括如下步骤：
27.s10：将被隔离物体固设于所述承载板，计算偏移量
△0和第一弹簧的刚度系数
[0028][0029]
其中，p＝2l2sinθ-δ0，，，为不为0的任意正数，l2为所述第二连接杆的长度，θ为初始状态时所述第二连接杆与所述底座的夹角；
[0030]
s20：将所述s10计算得到的
△0带入下述公式，计算所述第一弹簧的实际刚度系数k1和所述第二弹簧的实际刚度系数k0[0031][0032][0033]
其中，ma为被隔离物体的质量，g为重力加速度；
[0034]
s30：将所述s20步骤中的k1替换所述s10步骤中的所述s20步骤中的k0替换所述s10步骤中的并按照s10步骤中的公式进行计算，得到若则k0和k1符合要求，以k0和k1的值选取对应规格的第一弹簧和第二弹簧。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例提供的准零刚度隔振器的立体结构示意图；
[0036]
图2为本发明实施例提供的准零刚度隔振器的剖面结构示意图；
[0037]
图3为本发明实施例采用的承载板的立体结构示意图；
[0038]
图4为本发明实施例采用的导向仓的立体结示意图。
[0039]
附图标记说明：
[0040]
10-底座；
[0041]
20-导向仓；21-压杆；22-第一弹簧；23-滑槽；24-仓体；25-仓座；26-固定片；
[0042]
30-导轨；
[0043]
40-承载组件；41-承载板；42-通孔；43-横杆；44-法兰轴承；45-基座；46-减重孔；
47-交叉臂；
[0044]
50-连杆组件；51-第一连接杆；52-第二连接杆；53-转轴；54-第一连接座；55-第二连接座；56-连接耳板；
[0045]
60-第二弹簧；
[0046]
70-挂接板；71-长圆孔；72-插杆。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0048]
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的准零刚度隔振器进行说明。准零刚度隔振器，包括底座10、导向仓20、导轨30、承载组件40、连杆组件50、第二弹簧60，导向仓20设于底座10，导向仓20的轴向平行于上下方向，导向仓20内设有压杆21，压杆21的底端与导向仓20的内底壁之间设有第一弹簧22，第一弹簧22具有使压杆21伸出于导向仓20顶面的预紧力；导轨30设于底座10，且沿上下方向延伸；承载组件40包括承载板41，承载板41上设有与导向仓20滑动配合的通孔42、与压杆21固接的连接部，以及与导轨30滑动配合的滑动部；连杆组件50包括通过转轴53转动配合的第一连接杆51和第二连接杆52，转轴53处于承载板41的竖直投影范围内，第一连接杆51背离转轴53的一端与承载板41转动配合，第二连接杆52背离转轴53的一端与底座10转动配合；第二弹簧60连接于导轨30和转轴53之间，第二弹簧60水平设置。
[0049]
本实施例提供的准零刚度隔振器，与现有技术相比，在使用时，将待隔离的物体安装在承载板41上，物体初放置的时候由于自重使得承载板41发生初步的位移，在进行上下振幅的过程中，承载板41带动压杆21挤压或拉伸导向仓20内的第一弹簧22，并且随着承载板41的上下移动，连杆组件50的竖直高度随承载板41的高度变化而变化，第一连接杆51和第二连接杆52之间的转轴53发生水平位移，转轴53水平位移时拉动或挤压第二弹簧60，实现隔振效果。本发明准零刚度隔振器中的连杆组件50连接在承载板41和底座10之间，在承载板41上下运动的过程中，转轴53始终处于承载板41的竖直投影范围内，例如向下变化的时候，转轴53靠近过承载板41中心的竖直线，此时整体的体积减小，承载能力更高，因此隔振效果更好，相比于传统结构可有效避免失稳情况的发生，安全系数更高。
[0050]
在一些实施例中，上述转轴53与第二弹簧60的一种具体连接方式可以采用如图1至图2所示结构。参见图1至图2，转轴53端部与第二弹簧60之间通过挂接板70连接，挂接板70上设有长圆孔71，长圆孔71的一端与转轴53端部配合，长圆孔71另一端安装有插杆72，第二弹簧60的一端套设于插杆72。转轴53的两个端部均设有挂接板70，挂接板70可先与第二弹簧60安装，然后直接将挂接板70的长圆孔71套设在转轴53端部外周，随后可通过在转轴53的端部卡接限位块或者螺接螺母进行固定，该结构方便安装，操作方便。
[0051]
容易理解的是，插杆72贯穿两个挂接板70上的长圆孔71，且插杆72的相对两端可连接紧固螺母，以实现固定。
[0052]
在一些实施例中，上述连杆组件50的一种安装方式可以采用如图1至图2所示结构。参见图1至图2，承载板41的底部设有第一连接座54，底座10的顶部设有第二连接座55，
第一连接座54和第二连接座55上均设有连接耳板56，第一连接杆51背向转轴53的一端与第一连接座54上的连接耳板56转动配合，第二连接杆52背向转轴53的一端与第二连接座55上的连接耳板56转动配合。通过连接耳板56可方便对第一连接杆51和第二连接杆52的位置进行定位，第一连接杆51的两端、第二连接杆52的两端均设有对应的安装孔，将第一连接杆51或第二连接杆52上的安装孔与连接耳板56上的孔对应，并通过销轴、螺栓等即可连接，操作方便，结构简单，使用可靠。
[0053]
具体地，底座10上需要安装第二连接座55、导轨30、导向仓20等结构，可在底座10上预先开设好对应的孔位，安装第二连接座55、导轨30和导向仓20的时候，直接将其对准对应的孔位，即可实现快速组装。
[0054]
在一些实施例中，上述承载板41的一种具体实施方式可以采用如图1及图3所示结构。参见图1及图3，承载板41为圆形板，导向仓20和导轨30绕承载板41的轴向均匀分布。导向仓20和导轨30均可以在承载板41上下移动过程中实现导向作用，导向仓20和导轨30绕承载板41的轴向均匀分布，可提高承载板41上下移动时的稳定性，防止承载板41的板面倾斜，保证力的均匀分布，提高隔振效果。
[0055]
作为举例，当导向仓20和导轨30均设有四个时，四个导向仓20和四个导轨30可交替设置；当导向仓20设有两个，导轨30设有四个时，每两个导轨30之间设有一个导向仓20，该分布形式可以使得第一弹簧22作用在承载板41底部的力均匀分布，进一步提高隔振效果。
[0056]
在一些实施例中，上述导向仓20与承载板41的一种具体配合方式可以采用如图1、图2及图4所示结构。参见图1、图2及图4，导向仓20上设有沿其径向贯穿的滑槽23，滑槽23沿上下方向延伸；承载板41上设有横杆43，横杆43的两端分别固设于通孔42的内壁，并与通孔42的径向平行，横杆43与压杆21固接，且与滑槽23滑动配合，横杆43形成连接部。通孔42与导向仓20为一个配合关系，横杆43与滑槽23为一个配合关系，两个上下滑动配合的组件可进一步提高承载板41上下移动的稳定性；并且在安装承载板41的时候，调整承载板41上的横杆43与滑槽23对应，可实现防呆，方便组装与拆除。
[0057]
在一些实施例中，上述承载组件40的一种改进实施方式可以采用如图1及图3所示结构。参见图1及图3，承载组件40还包括连接于承载板41的法兰轴承44，法兰轴承44形成滑动部。承载组件40中的法兰轴承44与导轨30配合，在承载板41上下移动过程中，法兰轴承44与导轨30之间的摩擦力减小，减少对导轨30的磨损，延长导轨30的使用寿命，并且降低噪音。
[0058]
在一些实施例中，上述法兰轴承44的一种具体安装方式可以采用如图1所示结构。参见图1，承载板41的外周面与导轨30间隔分布，承载组件40还包括固设于承载板41上的基座45，法兰轴承44连接于基座45并凸出于承载板41的外周。当承载板41的板面足够大的情况下，可直接在承载板41上开孔供导轨30穿过，但是本实施例中的承载板41选用板面较小的板体，板面不超过导轨30，然后在承载板41上安装基座45，并在基座45上安装法兰轴承44(此时法兰轴承44与承载板41间接连接)，该实施例可以节省承载板41的用料，降低成本。
[0059]
在一些实施例中，上述导向仓20的一种具体实施方式可以采用如图2及图4所示结构。参见图2及图4，导向仓20还包括仓体24、仓座25以及固定片26，仓座25设于仓体24内底部，并与底座10连接；固定片26压设于第一弹簧22顶端，固定片26与压杆21的底端固接；第
一弹簧22抵接于固定片26和仓座25之间。第一弹簧22处于仓体24内，仓体24的内壁可对第一弹簧22的压缩与复位提供导向，防止第一弹簧22歪斜；压杆21下行过程中，压杆21带动固定片26挤压第一弹簧22，或者第一弹簧22复位顶起固定片26，固定片26与第一弹簧22顶端的接触面积较大，方便挤压第一弹簧22。
[0060]
需要说明的是，压杆21的下端与固定片26螺接，压杆21的上端与横杆43螺接实现连接。
[0061]
在一些实施例中，上述承载板41的一种改进实施方式可以采用如图3所示结构。参见图3，承载板41的中部设有减重孔46，承载板41上还设有位于减重孔46内的交叉臂47，交叉臂47与减重孔46的内壁固接，以承托被隔离物体。通过交叉臂47承载被隔离物体，在保证支撑强度的前提下，交叉臂47之间的空间可降低承载板41的重量，进而降低整体准零刚度隔振器的自重，使用更加方便，安装在所需的工况中也更加轻便。
[0062]
基于同一发明构思，本技术实施例还提供一种准零刚度隔振器的设计方法，包括如下步骤：
[0063]
s10：将被隔离物体固设于承载板41，计算偏移量
△0和第一弹簧的刚度系数
[0064][0065]
其中，p＝2l2sinθ-δ0，，，为不为0的任意正数，l2为第二连接杆52的长度，θ为初始状态时第二连接杆52与底座10的夹角；
[0066]
s20：将所述s10计算得到的
△0带入下述公式，计算第一弹簧22的实际刚度系数k1和第二弹簧60的实际刚度系数k0[0067][0068][0069]
其中，ma为被隔离物体的质量，g为重力加速度；
[0070]
s30：将s20步骤中的k1替换s10步骤中的s20步骤中的k0替换s10步骤中的并按照s10步骤中的公式进行计算，得到若则k0和k1符合要求，以k0和k1的值选取对应规格的第一弹簧和第二弹簧。
[0071]
需要说明的是，并不代表完全等于，取小数点后4位内相等即可。
[0072]
本实施例提供的准零刚度隔振器设计方法，与现有技术相比，在组装完毕准零刚度隔振器后，由于s10步骤中存在三个未知量：
△0和由于
△0的数值极小，取小数点后4位的情况下，的变化不会导致
△0的变化，但是的变化会造成的变化，因此在s10步骤随意取一个的值，计算得到
△0和后，说明
△0为正确数值，为不正确数值，因此将s10步骤得到的
△0带入重新计算实际的k1和k0，并对k1和k0通过s30步骤进行验证，验证符合条件的情况下则说明k1和k0为准确数值，可选取刚度系数为k1的第一弹簧22，选取刚度系数为k0的第二弹簧60，完成设计过程。该设计过程通过计算可得到精准且简便的获取第一弹簧22和第二弹簧60的刚度系数，并对应选取第一弹簧22和第二弹簧60，便于加工与制造；通过验证，保证准零刚度隔振器的隔振效果。
[0073]
需要说明的是，第二连接杆52的顶端连接，底端与第二连接座55连接，第二连接杆52上则需要有对应的两个孔位，则此时l2为第二连接杆52上两个孔位的间距；当第二连接杆52为其他方式转动连接(即自身不开孔)，则l2为第二连接杆52的杆长。
[0074]
在一些实施例中，承载板41的竖直位移y与转轴53的横向位移x需要满足以下关系：
[0075][0076]
其中，l2为第二连接杆52的长度，θ为初始状态时第二连接杆52与底座10的夹角。
[0077]
在一些实施例中，上述承载板41的竖直位移y还需要满足以下关系：
[0078][0079][0080]
其中，l1为呈对角的两个第二连接座的距离。
[0081]
准零刚度隔振器的弹性恢复力需要满足以下公式：
[0082]
[0083]
等效刚度应满足以下公式：
[0084][0085]
通过上述公式完成准零刚度隔振器的设计，可以使准零刚度隔振器面向任意载荷获得理想的准量刚度位移区间。
[0086]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种准零刚度隔振器，其特征在于，包括：底座；导向仓，设于所述底座，所述导向仓的轴向平行于上下方向，所述导向仓内设有压杆，所述压杆的底端与所述导向仓的内底壁之间设有第一弹簧，所述第一弹簧具有使所述压杆伸出于所述导向仓顶面的预紧力；导轨，设于所述底座，且沿上下方向延伸；承载组件，包括承载板，所述承载板上设有与所述导向仓滑动配合的通孔、与所述压杆固接的连接部，以及与所述导轨滑动配合的滑动部；连杆组件，包括通过转轴转动配合的第一连接杆和第二连接杆，所述转轴处于所述承载板的竖直投影范围内，所述第一连接杆背离所述转轴的一端与所述承载板转动配合，所述第二连接杆背离所述转轴的一端与所述底座转动配合；第二弹簧，连接于所述导轨和所述转轴之间，所述第二弹簧水平设置。2.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述转轴端部与所述第二弹簧之间通过挂接板连接，所述挂接板上设有长圆孔，所述长圆孔的一端与所述转轴端部配合，所述长圆孔另一端安装有插杆，所述第二弹簧的一端套设于所述插杆。3.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述承载板的底部设有第一连接座，所述底座的顶部设有第二连接座，所述第一连接座和所述第二连接座上均设有连接耳板，所述第一连接杆背向所述转轴的一端与所述第一连接座上的连接耳板转动配合，所述第二连接杆背向所述转轴的一端与所述第二连接座上的连接耳板转动配合。4.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述承载板为圆形板，所述导向仓和所述导轨绕所述承载板的轴向均匀分布。5.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述导向仓上设有沿其径向贯穿的滑槽，所述滑槽沿上下方向延伸；所述承载板上设有横杆，所述横杆的两端分别固设于所述通孔的内壁，并与所述通孔的径向平行，所述横杆与所述压杆固接，且与所述滑槽滑动配合，所述横杆形成所述连接部。6.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述承载组件还包括连接于所述承载板的法兰轴承，所述法兰轴承形成所述滑动部。7.如权利要求6所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述承载板的外周面与所述导轨间隔分布，所述承载组件还包括固设于所述承载板上的基座，所述法兰轴承连接于所述基座并凸出于所述承载板的外周。8.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述导向仓还包括：仓体；仓座，设于所述仓体内底部，并与所述底座连接；固定片，压设于所述第一弹簧顶端，所述固定片与所述压杆的底端固接；所述第一弹簧抵接于所述固定片和所述仓座之间。9.如权利要求1所述的准零刚度隔振器，其特征在于，所述承载板的中部设有减重孔，所述承载板上还设有位于所述减重孔内的交叉臂，所述交叉臂与所述减重孔的内壁固接，以承托被隔离物体。
10.如权利要求1所述的准零刚度隔振器的设计方法，其特征在于，用于对如权利要求1-9任一项所述的准零刚度隔振器进行设计，包括如下步骤：s10：将被隔离物体固设于所述承载板，计算偏移量
△0和第一弹簧的刚度系数和第一弹簧的刚度系数其中，p＝2l2sinθ-δ0，，，为不为0的任意正数，l2为所述第二连接杆的长度，θ为初始状态时所述第二连接杆与所述底座的夹角；s20：将所述s10计算得到的
△0带入下述公式，计算所述第一弹簧的实际刚度系数k1和所述第二弹簧的实际刚度系数k
00
其中，m
a
为被隔离物体的质量，g为重力加速度；s30：将所述s20步骤中的k1替换所述s10步骤中的所述s20步骤中的k0替换所述s10步骤中的并按照s10步骤中的公式进行计算，得到若则k0和k1符合要求，以k0和k1的值选取对应规格的第一弹簧和第二弹簧。

技术总结
本发明提供了一种准零刚度隔振器及其设计方法，所述准零刚度隔振器包括底座、导向仓、导轨、承载组件、连杆组件以及第二弹簧，所述导向仓设于所述底座，所述导向仓的轴向平行于上下方向，所述导向仓内设有压杆，所述压杆的底端与所述导向仓的内底壁之间设有第一弹簧；所述导轨设于所述底座；所述承载组件包括承载板，所述承载板上设有与所述导向仓滑动配合的通孔、与所述压杆固接的连接部，以及与所述导轨滑动配合的滑动部；所述连杆组件包括通过转轴转动配合的第一连接杆和第二连接杆；所述第二弹簧连接于所述导轨和所述转轴之间。本发明提供的准零刚度隔振器及其设计方法隔振效果更好，相比于传统结构可有效避免失稳情况的发生，安全系数更高。安全系数更高。安全系数更高。


技术研发人员：田瑞兰 王明昊 张寅硕 李绅 王秋宝 张小龙 薛强 郭秀英 关淮桐 韦方怡
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/21