束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置

1.本发明涉及的是一种振动隔离领域的技术，具体是一种束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置。


背景技术：

2.现有隔振器采用线性弹簧作为承载元件，其振动隔离起始频率为倍的自身固有频率，使用软弹簧可以降低隔振器固有频率，但会引起隔振器的大静变形，因此，现有线性隔振器难以有效隔离低频振动。准零刚度隔振器采用非线性刚度元件支撑负载，刚度的非线性化使得准零刚度隔振器同时具有大静刚度和低动态刚度，因而能够兼顾高承载能力和低固有频率。现有准零刚度隔振器通常利用双稳态负刚度抵消线性正刚度实现准零刚度，典型的双稳态负刚度结构包括：斜弹簧结构、吸引或排斥磁铁、欧拉屈曲梁、凸体-滚子结构等等。将双稳态负刚度结构与线性弹簧并联的准零刚度隔振器，设计要求依赖于双稳态负刚度结构和严格线性刚度结构，设计要求严苛；一旦负刚度结构的负刚度因为装配、疲劳、磨损等问题变化，准零刚度特性消失，需要更换线性弹簧重新匹配负刚度结构才能恢复准零刚度特性；负载由线性弹簧承担，可通过调节线性弹簧的压缩量改变准零刚度隔振器额定负载，但这种额定负载调节方式具有负载调节范围窄的缺点。现有通过悬臂片实现准零刚度隔振的技术其线性刚度机构刚度无法调节，使得匹配的范围较难调整。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，采用束聚悬臂结构提供单稳态负刚度，排斥磁铁提供非线性正刚度，利用非线性正刚度调制单稳态负刚度实现准零刚度，隔振器的设计不依赖于双稳态负刚度结构和严格线性刚度结构；非线性正刚度可调，当负刚度发生变化时，通过调节非线性正刚度结构仍能实现准零刚度，而无需更换组件；负载由负刚度结构和正刚度结构共同承担，可通过调节负刚度结构和正刚度结构的初始配置改变隔振装置的额定负载，相比现有依赖于双稳态负刚度结构和严格线性刚度结构的准零刚度隔振器具有更宽的负载调节范围，结构更加紧凑。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，包括：底座、直线运动组件、负刚度结构组件和正刚度结构组件，其中：直线运动组件竖直设置于底座上，具有单稳态负刚度的负刚度结构和具有非线性渐硬正刚度的正刚度结构串设于直线运动组件上。
6.所述的直线运动组件包括：导杆、直线轴承和轴承座，其中：导杆一端通过螺纹与底座连接，另一端通过花键与直线轴承连接，轴承座在导杆的约束下只能直线运动而不能绕自身转动。
7.所述的直线轴承为带有花键的直线轴承，花键形状与导杆相匹配。
8.所述的轴承座上设有中心孔，直线轴承嵌入轴承座，形成过盈配合。
9.所述的负刚度组件包括：悬臂梁、球轴承、变径凸体和夹块，其中：变径凸体套设于
直线运动组件的底端，悬臂梁束聚阵列分布，一端通过夹块固定设置于直线运动组件的顶端，另一端上设有球轴承并与变径凸体相接触，可通过旋转变径凸体改变凸体半径，从而调节负刚度。
10.所述的正刚度组件包括：6个辅助永磁铁体、1个主永磁铁体和套筒，其中：辅助永磁铁体过盈嵌入轴承座中，主永磁铁体通过套筒套设于导杆上并通过限位螺母调节主永磁铁体距底座的高度，可改变辅助永磁铁体和主永磁铁体之间的排斥力，调节正刚度。
11.所述的准零刚度隔振是指：旋转变径凸体改变凸体半径使负刚度组件产生负刚度或调节限位螺母改变永磁铁体之间的排斥力以调节正刚度，使之匹配负刚度，利用非线性正刚度调制单稳态负刚度实现准零刚度以及调节准零刚度隔振器额定负载。技术效果
12.本发明利用排斥磁体对提供的非线性渐硬正刚度调制束聚悬臂结构提供的单稳态负刚度实现了准零刚度隔振器的设计，摆脱了双稳态负刚度结构和严格线性刚度结构对现有准零刚度隔振器设计的束缚，设计更加灵活，结构更加紧凑；非线性正刚度结构刚度可调，能够在不更换组件下匹配不同负刚度实现准零刚度，操作方便，可靠性高；隔振装置额定负载由负刚度结构和正刚度结构共同承担，可通调节负刚度结构和正刚度结构配置变化额定负载，额定负载可调范围较现有准零刚度隔振器的额定负载调节范围大。
附图说明
13.图1为本发明准零刚度隔振装置整体结构示意图；
14.图2为悬臂结构和第二永磁体的装配示意图；
15.图3为本发明未包含图2部分结构的装配示意图；
16.图4为变径凸体俯视剖面图；
17.图5为本发明准零刚度隔振装置、正刚度组件和负刚度组件力-位移曲线图；
18.图6为本发明正刚度组件在不同大永磁铁高度下的力-位移关系图；
19.图7为本发明负刚度组件在不同变径凸体旋转角度下的力-位移关系图；
20.图8为本发明准零刚度隔振装置与现有准零刚度实现方式额定负载调节范围对比图；
21.图中：1底座、2变径凸体、3第一螺母、4悬臂梁、5轴承座、6夹块、7第一螺栓、8导杆、9第二螺母、10第二永磁体、11球轴承、12花键副轴承、13第三螺母、14套筒、15第一永磁体、16第四螺母、17第五螺母、18直线轴承。
具体实施方式
22.如图1～图3所示，为本实施例涉及一种束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，包括：底座1、直线运动组件、负刚度结构组件和正刚度结构组件，其中：直线运动组件竖直设置于底座1上，具有单稳态负刚度的负刚度结构和具有非线性渐硬正刚度的正刚度结构串设于直线运动组件上。
23.所述的直线运动组件包括：导杆8以及设置于其上的直线轴承18和轴承座5，其中：直线轴承18和轴承座5固定连接。
24.所述的轴承座5上设有用于嵌入直线轴承18的中心孔并形成过盈配合；轴承座5在
导杆8的约束下只能直线运动而不能绕自身转动。
25.所述的导杆8一端设有用于与底座1连接的螺纹，另一端设有用于套接直线轴承18的花键。
26.所述的直线轴承18优选带有花键的直线轴承18，花键形状与导杆8相匹配。
27.所述的负刚度组件包括：悬臂梁4、球轴承11、变径凸体2和夹块6，其中：变径凸体2套设于直线运动组件的底端，悬臂梁4的一端通过夹块6固定设置于直线运动组件的顶端，另一端上设有球轴承11并与变径凸体2相接触，通过旋转变径凸体2调节负刚度。
28.所述的悬臂梁4优选为3个且环向均布于轴承座5外围。
29.所述的球轴承11，可沿着变径凸体2表面滚动。
30.如图4所示，所述的变径凸体2，其外表面到中心轴线的距离沿圆周方向逐渐增大，中心设有用于嵌套直线轴承18的通孔，直线轴承18与导杆8套合。
31.所述的导杆8上设有用于将变径凸体2压紧在底座1上表面的螺母，当松开螺母时，可旋转调节变径凸体2，改变凸体和球轴承11接触位置处的半径，调节负刚度。
32.所述的正刚度组件包括：一个第一永磁体15、六个第二永磁体10和套筒14，其中：第一永磁体15通过套筒14活动设置于直线运动组件上，第二永磁体10固定设置于直线运动组件的一端。
33.所述的第二永磁体10具体设置于轴承座5的底面，有圆周阵列分布的沉孔，第二永磁体10过盈嵌入沉孔中；
34.所述的第一永磁体15上设有用于嵌设套筒14的中心孔，套筒14内设有螺纹以旋合于导杆8上。
35.所述的导杆8上设有用于限制第一永磁体15位置的限位螺母，调节限位螺母变化第一永磁体15距底座1的高度，可改变第二永磁体10和第一永磁体15之间的排斥力，调节正刚度。
36.除第二永磁体10和第一永磁体15外，所述的隔振装置零部件优选为低导磁材料制成。
37.如图5所示，所述的负刚度组件可提供单稳态负刚度，正刚度组件可提供非线性渐硬正刚度，所述的准零刚度隔振装置负载由负刚度结构和正刚度结构共同承担。
38.如图6所示，所述的准零刚度隔振装置可通过变化第一永磁体15位置调节正刚度。
39.如图7所示，所述的准零刚度隔振装置可通过旋转变径凸体2改变负刚度。
40.如图8所示，所述的准零刚度隔振装置可通过调节变化第一永磁体15位置调节正刚度，以及旋转变径凸体2改变负刚度，实现额定负载调节。
41.如图8所示，相对于现有将双稳态负刚度结构与线性弹簧并联设计的准零刚度隔振器，所述的隔振装置利用非线性渐硬正刚度组件调制单负刚度结构组件实现准零刚度，不依赖于双稳态负刚度结构和严格线性刚度结构，设计灵活，具有宽额定负载调节范围。
42.与现有技术相比，本发明利用第一永磁体15和第二永磁体10之间的排斥力提供非线性渐硬正刚度，用变径凸体2支撑束聚悬臂梁4提供单稳态负刚度，实现了不依赖于双稳态负刚度结构的准零刚度隔振器，设计更加灵活；第一永磁体15和第二永磁体10提供的非线性正刚度可调，当负刚度结构提供的负刚度因为装配、结构疲劳等问题发生变化，仍能实现准零刚度隔振，而无需更换任何组件，操作方便，可靠性高；隔振装置额定负载由负刚度
结构和正刚度结构共同承担，可通调节第一永磁体15位置和变径凸体2旋转角度变化额定负载，额定负载可调范围较现有准零刚度隔振器的额定负载调节范围大。
43.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征在于，包括：底座、直线运动组件、负刚度结构组件和正刚度结构组件，其中：直线运动组件竖直设置于底座上，具有单稳态负刚度的负刚度结构和具有非线性渐硬正刚度的正刚度结构串设于直线运动组件上；所述的直线运动组件包括：导杆、直线轴承和轴承座，其中：导杆一端通过螺纹与底座连接，另一端通过花键与直线轴承连接，轴承座在导杆的约束下只能直线运动而不能绕自身转动。2.根据权利要求1所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的直线轴承为带有花键的直线轴承，花键形状与导杆相匹配。3.根据权利要求1所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的轴承座上设有中心孔，直线轴承嵌入轴承座，形成过盈配合。4.根据权利要求1所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的负刚度组件包括：悬臂梁、球轴承、变径凸体和夹块，其中：变径凸体套设于直线运动组件的底端，悬臂梁束聚阵列分布，一端通过夹块固定设置于直线运动组件的顶端，另一端上设有球轴承并与变径凸体相接触，可通过旋转变径凸体改变凸体半径，从而调节负刚度。5.根据权利要求4所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的变径凸体，其外表面到中心轴线的距离沿圆周方向逐渐增大，中心设有用于嵌套直线轴承的通孔，直线轴承与导杆套合。6.根据权利要求4所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的正刚度组件包括：6个辅助永磁铁体、1个主永磁铁体和套筒，其中：辅助永磁铁体过盈嵌入轴承座中，主永磁铁体通过套筒套设于导杆上并通过限位螺母调节主永磁铁体距底座的高度，可改变辅助永磁铁体和主永磁铁体之间的排斥力，调节正刚度。7.根据权利要求6所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的导杆上设有用于将变径凸体压紧在底座上表面的螺母，当松开螺母时，可旋转调节变径凸体，改变凸体和球轴承接触位置处的半径，调节负刚度。8.根据权利要求7所述的束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，其特征是，所述的准零刚度隔振是指：旋转变径凸体改变凸体半径使负刚度组件产生负刚度或调节限位螺母改变永磁铁体之间的排斥力以调节正刚度，使之匹配负刚度，利用非线性正刚度调制单稳态负刚度实现准零刚度以及调节准零刚度隔振器额定负载。

技术总结
一种束聚悬臂支撑准零刚度隔振装置，包括：底座、直线运动组件、负刚度结构组件和正刚度结构组件，其中：直线运动组件竖直设置于底座上，具有单稳态负刚度的负刚度结构和具有非线性渐硬正刚度的正刚度结构串设于直线运动组件上。本发明采用束聚悬臂结构提供单稳态负刚度，排斥磁铁提供非线性正刚度，利用非线性正刚度调制单稳态负刚度实现准零刚度，隔振器的设计不依赖于双稳态负刚度结构和严格线性刚度结构；非线性正刚度可调，当负刚度发生变化时，通过调节非线性正刚度结构仍能实现准零刚度，负载由负刚度结构和正刚度结构共同承担，可通过调节负刚度结构和正刚度结构的初始配置改变隔振装置的额定负载。配置改变隔振装置的额定负载。配置改变隔振装置的额定负载。


技术研发人员：卢佳佳 张文明 颜格 亓文豪 闫寒 时军委
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/2