CN113757285B - 负刚度生成机构及准零刚度隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种负刚度生成机构及准零刚度隔振器，涉及低频隔振技术领域，外壳安装于底座上，外壳与底座轴向相对位置能够调节；负刚度单元包括多个内圈磁体、多个外圈磁体和支撑轴，支撑轴轴向滑动于底座上并穿过外壳，多个内圈磁体均固定套设于支撑轴上，多个外圈磁体均套设于内圈磁体外且分为上下两组；通过负刚度调节装置能够使上下两组外圈磁体沿支撑轴方向同步相向或背向移动；通过调节外壳与底座的轴向相对位置能够调节外圈磁体中间面和内圈磁体中间面的轴向相对位置。准零刚度隔振器，包括负刚度生成机构和正刚度单元。本发明结构紧凑，能够根据正刚度和负载的不同进行适应性调节，使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置。

Description

负刚度生成机构及准零刚度隔振器
技术领域
本发明涉及低频隔振技术领域，特别是涉及一种负刚度生成机构及准零刚度隔振器。
背景技术
隔振器通过减小被隔振物体与振源之间动态耦合来降低振动的不利影响，广泛应用于航空航天、车辆运输和精密仪器等领域。根据振动理论可知，隔振器隔振频带由其固有频率决定，当振源扰动频率大于隔振器固有频率的
Figure BDA0003251907020000011
倍时才能有效隔离振动。
隔振器有两个重要指标：隔振带宽和承载能力。扩大隔振带宽需要降低隔振器固有频率，一般通过降低***刚度或增加***质量来实现。但是降低***刚度和增加***质量会增大***静变形，在有限空间下，其承载能力低、工程可行性差，对于低频、超低频尤其如此。在有限空间下提高承载能力，需要增大***刚度，这会提高隔振器固有频率，缩小隔振频带。因此，隔振带宽和承载能力两者是一对天然矛盾体。
通过正负刚度并联的方式，准零刚度隔振器能够实现高静刚度和低动刚度，***的承载力由正刚度弹簧决定，负刚度元件用以减小***动刚度，有效的解决了隔振带宽和承载能力的矛盾。负刚度机构是准零刚度隔振器的重要组成部分，目前负刚度机构主要有：预压缩水平弹簧式、电磁式、永磁式、屈曲梁式等。预压缩水平弹簧式和屈曲梁式的负刚度机构须与正刚度弹簧垂直布置，导致其横向尺寸较大。同时，力的传导是通过机械接触，摩擦会造成实际情况偏离理论计算值，隔振器性能下降。永磁式和电磁式负刚度机构一般做成环状，与正刚度弹簧同轴布置，结构紧凑。通过磁场相互作用进行力传导，属于非接触类负刚度结构。其中，同等体积下，永磁式产生的负刚度量级远远大于电磁式。
现有的《一种负刚度可调准零刚度隔振装置及其应用方法》(申请号：201910816951.9)采用预压缩水平弹簧负刚度机构，能够在带静载状态下调整负刚度，确保机构处于动刚度接近零的理想状态。但是，这种结构提供负刚度的弹性元件弹力方向与提供正刚度的弹性元件弹力方向垂直，正、负刚度机构提供的弹力相互垂直，导致横向占用空间较大，无法在对空间要求高的地方应用。
现有的《基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器》(申请号：202010606301.4)采用永磁式负刚度机构。磁负刚度结构由内定磁环、上动磁环、下动磁环、外定磁环同轴嵌套构成，上动磁环与下动磁环关于内定磁环的轴向高度中心对称布置、沿径向反向磁化，内定磁环与外定磁环的轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化。但该隔振器鲁棒性差，不能适应负载和刚度变化带来的干扰。
现有的《主动电磁负刚度隔微振装置》(申请号：202011189262.9)，同轴嵌套双磁环结构与通电线圈并联构成。同轴嵌套双磁环结构在轴向实现刚度不可调整的负刚度特性，通电线圈产生精密可控的励磁磁通实现负刚度值的调整。该发明虽然通过线圈能够实现负刚度调整，但通电线圈产生的电磁力小，负刚度调整范围小。并且该发明并未涉及针对负载变化的平衡位置调节，不能适应负载变化带来的干扰 。
目前各种负刚度结构均从理论和试验上实现了准零刚度特性，但准零刚度机构鲁棒性差，对刚度、负载等参数十分敏感，极易导致准零刚度机构失效。在实际应用中，负载大小和正刚度弹簧弹性系数难免会存在偏差，因此，必须提出一种负载可变、刚度可调的负刚度生成机构，确保安装后，根据现场情况，在带静载状态下调节，使准零刚度机构处于动刚度接近零的理想平衡位置，让准零刚度机构从能用变为好用。
发明内容
本发明的目的是提供一种负刚度生成机构及准零刚度隔振器，以解决上述现有技术存在的问题，结构紧凑，并能够根据正刚度和负载的不同进行适应性调节，使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种负刚度生成机构，包括底座、外壳、负刚度单元和负刚度调节装置，所述外壳安装于所述底座上，所述外壳与所述底座的轴向相对位置能够调节；
所述负刚度单元包括内圈磁体组、外圈磁体组和支撑轴，所述支撑轴轴向滑动于所述底座上并穿过所述外壳，所述内圈磁体组包括多个内圈磁体，多个所述内圈磁体均固定套设于所述支撑轴上，相邻的两个所述内圈磁体相对的一端极性相反，所述外圈磁体组包括多个外圈磁体，多个所述外圈磁体均套设于所述内圈磁体组外周且分为上下两组安装于所述外壳内，相邻的两个所述外圈磁体相对的一端极性相反；
通过所述负刚度调节装置能够使上下两组所述外圈磁体沿所述支撑轴方向同步相向或背向移动；
通过调节所述外壳与所述底座的轴向相对位置能够调节所述外圈磁体组的中间面和所述内圈磁体组的中间面的轴向相对位置。
优选的，所述负刚度单元还包括上外圈磁体铠装和下外圈磁体铠装，所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装上均连接有一个所述磁体铠装端盖，通过各所述磁体铠装端盖将上下两组的所述外圈磁体分别压紧固定于所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装上，所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装均螺纹连接在所述外壳内壁上，且两者的螺纹旋向相反，通过所述负刚度调节装置能够使所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装绕所述支撑轴同步转动于所述外壳内。
优选的，所述负刚度调节装置包括调节板和多个调节轴，所述调节板绕所述支撑轴的轴线转动连接在所述外壳内，并位于所述负刚度单元上方，多个所述调节轴均安装于所述调节板上并沿所述调节板的周向间隔分布，各所述调节轴的轴线均平行于所述支撑轴的轴线；所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装上均设有与各所述调节轴相配合的调节孔，各所述调节轴均穿过与其对应的各所述调节孔，通过转动所述调节板能够带动所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装绕所述支撑轴的轴线同步转动。
优选的，所述调节板中部设有六边形内凹槽，所述六边形内凹槽用于与六角扳手配合以通过六角扳手转动所述所述调节板。
优选的，所述调节板中部设有第一通孔，所述第一通孔内配合连接有第一轴套，所述支撑轴上端滑动连接于所述第一轴套内；所述底座中部设有第二通孔，所述第二通孔内配合连接有第二轴套，所述支撑轴下端滑动连接于所述第二轴套内。
优选的，所述外壳螺纹连接在所述底座上，通过转动所述外壳调节所述外壳与所述底座的轴向相对位置。
优选的，所述外壳外周面上设有卡装部，所述卡装部用于卡装扳手以通过扳手转动所述外壳。
优选的，所述内圈磁体和所述外圈磁体均为轴向充磁的环形永磁体，同一层的所述内圈磁体和所述外圈磁体极性相同。
本发明还提供一种准零刚度隔振器，包括以上所述的负刚度生成机构和正刚度单元，所述正刚度单元用于提供正刚度并能够通过所述支撑轴支承外部负载。
优选的，所述正刚度单元包括第一弹簧，所述第一弹簧套设于所述支撑轴外周，所述第一弹簧上端与最下端的所述内圈磁体底部接触，所述第一弹簧下端置于所述底座上表面上的环形槽中，所述第一弹簧在工作行程内处于压缩状态。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的负刚度生成机构及准零刚度隔振器，各内圈磁体均固定套设于支撑轴上，各外圈磁体均套设于内圈磁体组外周，采用内、外圈磁体围绕支撑轴设置的结构构成负刚度单元，结构紧凑，由内圈磁体组和外圈磁体组产生负刚度，与正刚度单元并联后，能够实现***在平衡位置附近的刚度很小，接近于零，根据不同的正刚度元件，通过负刚度调节装置能够使上下两组外圈磁体沿支撑轴方向同步相向或背向移动，能够实现在平衡位置不变的前提下实现负刚度大小的调整，以适应不同的正刚度，从而使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置；根据不同负载，通过调节外壳与底座的轴向相对位置能够调节外圈磁体组的中间面和内圈磁体组的中间面的轴向相对位置，能够使两个中间面重合，使负刚度单元始终处于轴向力为零的平衡位置，从而使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置。本发明提供的负刚度生成机构及准零刚度隔振器，能够根据正刚度和负载的不同进行适应性调节，使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置，隔振效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的负刚度生成机构立体结构示意图；
图2为本发明提供的负刚度生成机构与正刚度单元的连接结构立体剖面图；
图3为本发明提供的负刚度单元的立体示意图；
图4为本发明提供的负刚度单元的结构立体剖面图；
图5为本发明提供的负刚度调节装置与上外圈磁体铠装和下外圈磁体铠装的结构连接立体剖面图；
图6为本发明提供的负刚度单元中内圈磁体和外圈磁体充磁方向和极性示意图；
图7为本发明提供的负刚度单元中上组外圈磁体和下组外圈磁体层间距离示意图；
图8为本发明提供的负刚度单元中负刚度单元轴向力与轴向位移的关系图；
图9为为本发明提供负刚度单元中负刚度单元轴向刚度与轴向位移的关系图；
图10为采用六角扳手对调节板进行调节的状态示意图；
图11为采用扳手对外壳进行调节的状态示意图；
图中：100-负刚度生成机构、1-底座、2-外壳、3-负刚度单元、4-负刚度调节装置、5-正刚度单元、6-支撑轴、7-内圈磁体、8-外圈磁体、9-上外圈磁体铠装、10-下外圈磁体铠装、11-磁体铠装端盖、12-调节板、13-调节轴、14- 调节孔、15-六边形内凹槽、16-第一轴套、17-第二轴套、18-第一弹簧、19-卡装部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种负刚度生成机构及准零刚度隔振器，以解决现有技术存在的问题，结构紧凑，并能够根据正刚度和负载的不同进行适应性调节，使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1～7所示，本实施例提供一种负刚度生成机构100，包括底座1、外壳2、负刚度单元3和负刚度调节装置4，外壳2安装于底座1上，外壳2与底座1的轴向相对位置能够调节；
负刚度单元3包括内圈磁体组、外圈磁体组和支撑轴6，支撑轴6轴向滑动于底座1上并穿过外壳2，内圈磁体组包括多个内圈磁体7，多个内圈磁体 7均固定套设于支撑轴6上，相邻的两个内圈磁体7相对的一端极性相反，外圈磁体组包括多个外圈磁体8，多个外圈磁体8均套设于内圈磁体组外周且分为上下两组安装于外壳2内，相邻的两个外圈磁体8相对的一端极性相反；
通过负刚度调节装置4能够使上下两组外圈磁体沿支撑轴6方向同步相向或背向移动；
通过调节外壳2与底座1的轴向相对位置能够调节外圈磁体组的中间面和内圈磁体组的中间面的轴向相对位置。
各内圈磁体7均固定套设于支撑轴6上，各外圈磁体8均套设于内圈磁体组外周，采用内、外圈磁体围绕支撑轴6设置的结构构成负刚度单元，结构紧凑；其中，多个内圈磁体7层叠设置，内圈磁体组的中间面为其上下对称中心面，外圈磁体组的中间面为上组的外圈磁体和下组的外圈磁体上下对称的中心面，如图7所示，为上组外圈磁体和下组外圈磁体层间距离示意图，图8为负刚度单元轴向力与轴向位移(相对位移)的关系图，负刚度的刚度计算是通过轴向力对轴向相对位移求导得到，如图9所示为负刚度单元轴向刚度与轴向位移(相对位移)的关系图，在图8和图9中，外圈距离指的是上组外圈磁体和下组外圈磁体层间距离，横坐标表示外圈磁体组的中间面与内圈磁体组的中间面的轴向相对位移，其相对位移为零时表示外圈磁体组的中间面与内圈磁体组的中间面重合；通过调节层间距离可以调节负刚度单元3的负刚度，将负刚度单元3与正刚度单元5并联后，根据并联弹簧等效刚度计算关系，***刚度为各个刚度元件之和，从而能够实现***在平衡位置附近的刚度很小，接近于零的所谓准零刚度，平衡位置指的是负刚度单元3轴向力为零的位置，即内圈磁体组和外圈磁体组中间面重合的位置；根据不同的正刚度元件，通过负刚度调节装置4能够使上下两组外圈磁体沿支撑轴方向同步相向或背向移动，能够实现在平衡位置不变的前提下实现负刚度大小的调整，以适应不同的正刚度，从而使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置；根据不同负载，通过调节外壳2与底座1的轴向相对位置能够调节外圈磁体组的中间面和内圈磁体组的中间面的轴向相对位置，能够使两个中间面重合，使负刚度单元始终处于轴向力为零的平衡位置，从而使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置。本发明提供的负刚度生成机构100，能够根据正刚度和负载的不同进行适应性调节，使隔振器始终处于动刚度接近零的理想平衡位置，隔振效果更好。
如图2～5所示，本实施例中，负刚度单元3还包括上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10，上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10上均连接有一个磁体铠装端盖11，通过各磁体铠装端盖11将上下两组的外圈磁体8分别压紧固定于上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10上，上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10均螺纹连接在外壳2内壁上，且两者的螺纹旋向相反，通过负刚度调节装置4能够使上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10绕支撑轴6同步转动于外壳2内，其中，磁体铠装端盖11均是通过螺栓与上外圈磁体铠装9 和下外圈磁体铠装10固定连接，结构简单，便于对外圈磁体8进行安装固定，由于上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10的螺纹旋向相反，上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10绕支撑轴6同步转动于外壳2时，从而使得上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10同步相向或背向移动，进而带动上组外圈磁体和下组外圈磁体同步相向或背向移动，得以在平衡位置不变的前提下对负刚度进行调节。
如图2和图5所示，本实施例中，负刚度调节装置4包括调节板12和多个调节轴13，调节板12绕支撑轴6的轴线转动连接在外壳2内，并位于负刚度单元3上方，多个调节轴13均安装于调节板12上并沿调节板12的周向均匀分布，各调节轴13的轴线均平行于支撑轴6的轴线；上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10上均设有与各调节轴13相配合的调节孔14，各调节轴13 均穿过与其对应的各调节孔14。其中，调节板12与外壳2为间隙配合，便于调节板12的转动，各调节孔14内均过盈配合连接有轴套，各调节轴13均穿过与其对应的各轴套并能相对于轴套进行轴向移动，通过转动调节板12，带动各调节轴13绕支撑轴6的轴线转动，从而带动上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10绕支撑轴6的轴线转动，进而实现上外圈磁体铠装9和下外圈磁体铠装10同步相向或背向移动。其中，在外壳2侧壁上设有螺纹孔，当调节到位后，通过将锁紧螺栓拧入螺纹孔中使锁紧螺栓顶紧调节板侧壁，将调节板 12卡紧于外壳2内。
如图1～2、图5和图10所示，本实施例中，调节板12中部设有六边形内凹槽15，六边形内凹槽15用于与六角扳手配合以通过六角扳手转动所述调节板12，结构简单，便于对调节板12进行转动调节。
如图2所示，本实施例中，调节板12中部设有第一通孔，第一通孔内配合连接有第一轴套16，支撑轴6上端滑动连接于第一轴套16内；底座1中部设有第二通孔，第二通孔内配合连接有第二轴套17，支撑轴6下端滑动连接于第二轴套17内。通过第一轴套16和第二轴套17与支撑轴6配合连接，使得支撑轴6只能在轴向进行移动，不能在水平方向产生位移。
本实施例中，外壳2螺纹连接在底座1上，通过转动外壳2调节外壳2 与底座1的轴向相对位置。将不同的负载安装于支撑轴6顶端后，内圈磁体组的中间面会产生变化，通过转动外壳2调节外壳2与底座1的轴向相对位置，即可带动外圈磁体组整体移动，使外圈磁体组的中间面与内圈磁体组的中间面重合，从而使负刚度单元3始终处于轴向力为零的平衡位置。
如图1和图11所示，本实施例中，外壳2外周面上设有卡装部19，卡装部19用于卡装扳手以通过扳手转动外壳2，结构简单，外壳2的调节方便快捷。
如图6所示，内圈磁体7和外圈磁体8均为轴向充磁的环形永磁体，同一层的内圈磁体7和外圈磁体8极性相同，采用环形永磁体结构，相对于电磁式负刚度结构，相同体积下，永磁体产生的磁场远大于线圈，永磁式负刚度机构量级更大，能够适用于量级更大的正刚度元件，使得相同空间下承载力更强。
实施例二
本实施例提供一种准零刚度隔振器，包括实施例一中的负刚度生成机构 100和正刚度单元5，正刚度单元5用于提供正刚度并能够通过支撑轴6支承外部负载。
如图2所示，本实施例中，正刚度单元5包括第一弹簧18，第一弹簧18 套设于支撑轴6外周，第一弹簧18上端与最下端的内圈磁体7底部接触，第一弹簧18下端置于底座1上表面上的环形槽中，第一弹簧18在工作行程内处于压缩状态。环形槽的设置能够防止第一弹簧18横向移动，在支撑轴6的工作行程内，第一弹簧18处于压缩状态，为***提供正刚度以支撑负载。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种负刚度生成机构，其特征在于：包括底座、外壳、负刚度单元和负刚度调节装置，所述外壳安装于所述底座上，所述外壳与所述底座的轴向相对位置能够调节；
所述负刚度单元包括内圈磁体组、外圈磁体组和支撑轴，所述支撑轴轴向滑动于所述底座上并穿过所述外壳，所述内圈磁体组包括多个内圈磁体，多个所述内圈磁体均固定套设于所述支撑轴上，相邻的两个所述内圈磁体相对的一端极性相反，所述外圈磁体组包括多个外圈磁体，多个所述外圈磁体均套设于所述内圈磁体组外周且分为上下两组安装于所述外壳内，相邻的两个所述外圈磁体相对的一端极性相反；
通过所述负刚度调节装置能够使上下两组所述外圈磁体沿所述支撑轴方向同步相向或背向移动；
通过调节所述外壳与所述底座的轴向相对位置能够调节所述外圈磁体组的中间面和所述内圈磁体组的中间面的轴向相对位置；
所述负刚度单元还包括上外圈磁体铠装和下外圈磁体铠装，所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装上均连接有一个所述磁体铠装端盖，通过各所述磁体铠装端盖将上下两组的所述外圈磁体分别压紧固定于所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装上，所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装均螺纹连接在所述外壳内壁上，且两者的螺纹旋向相反，通过所述负刚度调节装置能够使所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装绕所述支撑轴同步转动于所述外壳内。
2.根据权利要求1所述的负刚度生成机构，其特征在于：所述负刚度调节装置包括调节板和多个调节轴，所述调节板绕所述支撑轴的轴线转动连接在所述外壳内，并位于所述负刚度单元上方，多个所述调节轴均安装于所述调节板上并沿所述调节板的周向间隔分布，各所述调节轴的轴线均平行于所述支撑轴的轴线；所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装上均设有与各所述调节轴相配合的调节孔，各所述调节轴均穿过与其对应的各所述调节孔，通过转动所述调节板能够带动所述上外圈磁体铠装和所述下外圈磁体铠装绕所述支撑轴的轴线同步转动。
3.根据权利要求2所述的负刚度生成机构，其特征在于：所述调节板中部设有六边形内凹槽，所述六边形内凹槽用于与六角扳手配合以通过六角扳手转动所述调节板。
4.根据权利要求2所述的负刚度生成机构，其特征在于：所述调节板中部设有第一通孔，所述第一通孔内配合连接有第一轴套，所述支撑轴上端滑动连接于所述第一轴套内；所述底座中部设有第二通孔，所述第二通孔内配合连接有第二轴套，所述支撑轴下端滑动连接于所述第二轴套内。
5.根据权利要求1所述的负刚度生成机构，其特征在于：所述外壳螺纹连接在所述底座上，通过转动所述外壳调节所述外壳与所述底座的轴向相对位置。
6.根据权利要求5所述的负刚度生成机构，其特征在于：所述外壳外周面上设有卡装部，所述卡装部用于卡装扳手以通过扳手转动所述外壳。
7.根据权利要求1所述的负刚度生成机构，其特征在于：所述内圈磁体和所述外圈磁体均为轴向充磁的环形永磁体，同一层的所述内圈磁体和所述外圈磁体极性相同。
8.一种准零刚度隔振器，其特征在于：包括权利要求1～7中任意一项所述的负刚度生成机构和正刚度单元，所述正刚度单元用于提供正刚度并能够通过所述支撑轴支承外部负载。
9.根据权利要求8所述的准零刚度隔振器，其特征在于：所述正刚度单元包括第一弹簧，所述第一弹簧套设于所述支撑轴外周，所述第一弹簧上端与最下端的所述内圈磁体底部接触，所述第一弹簧下端置于所述底座上表面上的环形槽中，所述第一弹簧在工作行程内处于压缩状态。
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