CN109973568A - 一种准零刚度支撑杆 - Google Patents

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Abstract

本发明专利申请的一种准零刚度支撑杆，通过正负刚度并联原理，设计了一种具有高静刚度低动刚度的机械***支撑结构。本发明具体结构包括细长轴，细长轴一侧末端设计有连接孔、另一侧为末端凸起，螺旋弹簧一端通过末端凸起安装在螺旋弹簧安装座上，螺旋弹簧的另一端安装在金属套筒上。细长轴由直线轴承进行支撑，保证其直线运动以及耐久性和结构安全性。本发明专利申请在应用中，首先根据所承载的机械***的质量以及准零刚度支撑杆的布置支撑形式，对其中的螺旋弹簧A、螺旋弹簧B的刚度以及预压缩量进行设计，保证当承载了机械***的质量后，螺旋弹簧B处于同一中心轴线，以保证***达到准零刚度状态，起到低频隔振的特性。

Description

一种准零刚度支撑杆
技术领域
本发明涉及一种具有准零刚度的支撑杆。属于机械***低频振动隔离技术领域。
背景技术
机械***在运行过程中的低频振动对人体舒适性和机器设备的精密性、安全性具有较大的损害。低频振动普遍存在于车辆、船舶、机床、工程机械、手术仪器等，是现代机械设备向高功率密度、高转速、高精度方向发展过程中急需解决的问题。低频振动也对机械设备的损害较大，是导致机械设备降低工作效率、甚至疲劳损坏的重要原因之一。所以消减低频振动，保护人们和机械设备不受低频振动的影响就显得尤为必要。
消减振动其中的手段之一是在振源与机械设备之间施加隔振装置(隔振器)。由经典振动理论可知，线性隔振器只对大于隔振***倍固有频率的振动具有隔离作用。隔振***的固有频率ω的表达式为(k为隔振***的刚度，m为被隔离物体的质量)。由此可知，降低隔振***的固有频率ω是隔离更低频率振动的有效途径。降低隔振***的固有频率，有效的途径是降低隔振***的刚度，而降低了隔振***的刚度就会使得隔振***的所承载质量的位移较大，降低***的承载能力。所以发明一种既能消减低频振动(表现为隔振***的低动刚度特性)又能保证承载能力(表现为隔振***的高静刚度特性)的隔振器就显得尤为必要。
经检索，申请号201610182527.X的“一种准零刚度压杆”，为一种以半球环形凸起—万向滚轮—簧片机构提供负刚度特性的中国发明专利；申请号201510097824.X的“一种采用螺旋弹簧和磁性弹簧并联的准零刚度隔振器”和申请号201410582655.4的“一种采用环形永磁铁产生负刚度的准零刚度隔振器”为以磁性材料提供力而形成负刚度特性的中国发明专利。而本专利申请中的负刚度由连杆弹簧机构提供，与前两个发明专利的负刚度的形成机理完全不同。
以连杆弹簧提供负刚度特性，申请的专利包括“基于准零刚度理论的新型振动测量平台和测量装置(申请号201520196314.3)”、“多维可调准零刚度隔振平台(申请号201610545258.9)”、“一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法(申请号201610424621.1)”、“正负刚度可调的准零刚度隔振平台(申请号201610545508.9)”、“准零刚度隔振平台(申请号201610545897.5)”，“具有准零刚度的半主动控制型垂直隔振器(发明专利申请号201710022167.1和实用新型专利申请号201720036402.6)”，这些专利都是设计的基于准零刚度隔振理论的隔振平台或者隔振器，是应用在特定机械设备中隔振***，与本专利申请在整体结构和应用形式上完全不同。
发明内容
本发明专利申请的一种准零刚度支撑杆，通过正负刚度并联原理，设计了一种具有高静刚度低动刚度的机械***支撑结构，合理的解决了承载机械设备需要隔振***的高刚度特性以及消减低频振动需要隔振***低刚度特性之间的矛盾，且结构设计紧凑，方便加工，是一通用型机械***隔振结构，在诸多对低频振动要求严格的振动环境中具有推广应用价值。
本发明提供了一种具有准零刚度的支撑杆，包括细长轴，细长轴一侧末端设计有连接孔、另一侧为末端凸起，螺旋弹簧一端通过末端凸起安装在螺旋弹簧安装座上，螺旋弹簧的另一端安装在金属套筒上。细长轴由直线轴承进行支撑。
本发明专利申请的细长轴总体结构图，其设计成包括连接孔、细长轴、螺旋弹簧B安装座、安装座凸起、螺旋弹簧A安装座和细长轴A末端凸起等六个形状结构部分。
本发明申请的螺栓的一端设计有螺栓凸起，螺旋弹簧B安装在螺栓凸起和安装座凸起上，螺旋弹簧B具有预压缩量。螺栓通过螺母固定在金属套筒的螺母安装座上，通过对螺母进行旋转移动，可以调节螺旋弹簧B的预压缩量，螺旋弹簧B安装座设计为边长相等的正方体。这样以螺旋弹簧B安装座中心对称的四个弹簧构成负刚度结构，本发明所示的四个螺旋弹簧B形成负刚度结构只是其中一种实施例。在设计中，只要螺旋弹簧B的个数和布置形式能够以螺旋弹簧B安装座形成中心对称，则均可以构成负刚度结构，均属于本发明专利保护的范畴。
本发明专利申请在应用中，首先根据所承载的机械***的质量以及准零刚度支撑杆的布置支撑形式，对其中的螺旋弹簧A、螺旋弹簧B的刚度以及预压缩量进行设计，保证当承载了机械***的质量后，螺旋弹簧B处于同一中心轴线，以保证***达到准零刚度状态。
本发明的有益效果是：本发明为具有高静刚度和低动刚度的机械***支撑结构，可以隔离振源传递到其他机械设备中的低频振动；本发明结构简单、紧凑，可以应用在车辆悬架、座椅、车载精密仪器，手术台、机床等诸多机械设备的振动隔离中。
附图说明
图1：本发明的剖视图；
图2：本发明的外部结构图；
图3：本发明的内部结构图；
图4：本发明细长轴结构图；
图5：本发明内部结构的局部图；
图6：本发明作用力原理图；
图7：本发明刚度特性图(***刚度与螺旋弹簧刚度之间的关系图)；
图8：本发明刚度特性图(***刚度与弹簧预压缩量之间的关系图)；
图9：本发明刚度特性图(***呈现准零刚度特性的刚度曲线图)；
图10：本发明的振动隔离效果图；
图中：1-连接孔A、2-细长轴A、3-直线轴承、4-螺栓、5-金属套筒、6-螺旋弹簧A、7-细长轴B、8-连接孔B、9-螺母、10-螺旋弹簧B、11-螺母安装座、12-螺旋弹簧B安装座、13-安装座凸起、14-螺旋弹簧A安装座、15-细长轴A末端凸起、16-螺栓凸起。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如附图1到附图5所示，本发明提供了一种具有准零刚度的支撑杆，包括细长轴A2，细长轴A2一侧末端设计有连接孔A1、细长轴A2另一侧为末端凸起15，螺旋弹簧A6一端通过末端凸起15安装在螺旋弹簧A安装座14上，螺旋弹簧A6的另一端安装在金属套筒5上。细长轴A2由直线轴承3进行支撑，保证其耐久性和结构安全性。
附图4为本发明专利申请的细长轴总体结构图，其设计成包括连接孔A1、细长轴A2、螺旋弹簧B安装座12、安装座凸起13、螺旋弹簧A安装座14和细长轴A末端凸起15等六个形状结构部分。
本发明申请的负刚度特性由附图5所示的结构具体实现。螺栓4的一端设计有螺栓凸起16，螺旋弹簧B10安装在螺栓凸起16和安装座凸起13上，螺旋弹簧B10具有预压缩量。螺栓4通过螺母9固定在金属套筒5的螺母安装座11上，通过对螺母9进行旋转移动，可以调节螺旋弹簧B10的预压缩量，螺旋弹簧B安装座12设计为边长相等的正方体。这样以螺旋弹簧B安装座12中心对称的四个弹簧构成负刚度结构，本发明附图5所示的四个螺旋弹簧B10形成负刚度结构只是其中一种实施例。在设计中，只要螺旋弹簧B10的个数和布置形式能够以螺旋弹簧B安装座12形成中心对称，则均可以构成负刚度结构，均属于本发明专利保护的范畴。
本发明专利申请在应用中，首先根据所承载的机械***的质量以及准零刚度支撑杆的布置支撑形式，对其中的螺旋弹簧A6、螺旋弹簧B10的刚度以及预压缩量进行设计，保证当承载了机械***的质量后，螺旋弹簧B10处于同一中心轴线，以保证***达到准零刚度状态。
附图6为本发明专利申请的力的作用原理图。具体的，可以建立此准零刚度支撑杆的回复力的方程：
其中，k1为螺旋弹簧A6的刚度，k2为螺旋弹簧B10的刚度，2L为螺旋弹簧A安装座14的边长，h为螺旋弹簧B10的预压缩量，x为支撑杆承载质量振动位移。
对方程(1)，进行求导可以得到***的刚度K的表达式：
引入无量纲的转化形式
可得到***的无量纲刚度的表达式：
由公式(4)可知，***的刚度受到螺旋弹簧B10的预压缩量、螺旋弹簧A6的刚度、螺旋弹簧B10的刚度的共同影响。附图7和附图8分别表示不同的螺旋弹簧A6的刚度、螺旋弹簧B10的刚度和不同的螺旋弹簧B10的预压缩量情况下的***刚度特性。附图10表示合理的选择螺旋弹簧B10的预压缩量、螺旋弹簧A6的刚度、螺旋弹簧B10的刚度，可以使***在时，得到***刚度值且当时，***的刚度也大于0，即获得本发明专利申请的准零刚度特性。
图10为本发明所述准零刚度支撑杆与传统线性支撑杆对比的隔振效果图，有图可以看出，准零刚度支撑杆有比传统线性支撑杆更宽的隔振频带，表现出更好的低频隔振效果。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种准零刚度支撑杆，其特征在于，包括细长轴A(2)、细长轴B(7))，直线轴承(3)、螺栓(4)、金属套筒(5)、螺旋弹簧A(6)，螺旋弹簧B(10))、螺母(9)、螺母安装座(11)、螺旋弹簧B安装座(12)、螺旋弹簧A安装座(14)，所述细长轴A(2)末端具有连接孔A(1)，另一端为细长轴A末端凸起(15)，所述细长轴B(7)末端具有连接孔B(8)，所述螺旋弹簧A(6)一端通过细长轴A(2)的细长轴A末端凸起(15)安装在螺旋弹簧A安装座(14)上，另一端安装在金属套筒(5)，所述细长轴A(2)由直线轴承(3)支撑在金属套筒(5)内，保证细长轴A(2)在金属套筒(5)内直线运动和结构安全性。
2.根据权利要求书1所述的准零刚度支撑杆，其特征在于，所述细长轴A(2)一端具有螺旋弹簧B安装座(12)、螺旋弹簧A安装座(14)，螺旋弹簧B安装座(12)用来安装螺旋弹簧A(6)，起到正刚度作用，螺旋弹簧A安装座(14)用来安装四个具有预压缩量的螺旋弹簧B(10)。
3.根据权利要求书1所述的准零刚度支撑杆，其特征在于，所述螺栓(4)可通过螺母(9)调节其在金属套筒(5)内部的长度。
4.根据权利要求书1所述的准零刚度支撑杆，其特征在于，所述金属套筒(5)、螺母安装座(11)、细长轴B(7)为整体结构，且在螺母安装座(11)处开有螺栓孔。
5.根据权利要求书1—4任一所述的准零刚度支撑杆，其特征在于，所述四个螺旋弹簧B(10)的中心线在同一平面内时为静平衡位置，其刚度K大小满足下面的等式关系：
其中，k1为螺旋弹簧A(6)的刚度，k2为螺旋弹簧B(10)的刚度，L为螺旋弹簧B(10)在金属套筒(5)中的长度，h为螺旋弹簧B(10)的预压缩量，x为螺旋弹簧B安装座(12)偏离平衡位置的长度，合理选择设计其中参数的大小可获得满足实际需求的刚度大小。
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