CN113864388A - 三向变刚度隔振装置 - Google Patents

三向变刚度隔振装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三向变刚度隔振装置，属于隔振装置设计领域；包括底板、第一纵向调节机构、纵向调节板、纵向弹簧、2个连杆、2个侧向调节机构、连接耳片、中心板、纵向压杆、纵向拉杆、第二纵向调节机构、载物板、活动外壳、侧板、顶盖、n个支杆和平衡板；中心板和活动外壳实现了载物板相对底板的运动的解耦，被隔振物固定在载物板12上，沿着三个正交方向微幅运动，实现三向隔振，且刚度可调；本发明以调节刚度值的方式，在高刚度与低刚度状态之间进行切换，实现半主动隔振，三个正交方向的刚度可调，并且在纵向和侧向的刚度调节具有解耦的优势，同时可以利用自身结构进行限位保护。

Description

三向变刚度隔振装置
技术领域
本发明属于隔振装置设计领域，涉及三向变刚度隔振装置。
背景技术
当受到外界振源的激励时，***可能产生受迫振动，对于精密制造业，航空，航天和武器装备等领域，振动超过一定程度可能会导致设备无法正常工作，所以需要采取一定的措施来避免设备产生过大的振动。常用的隔振方式包括被动隔振、半主动隔振和主动隔振三种，被动隔振方式结构简单，可靠性高，但是低频段隔振性能较差，并且无法适应频率变化的振动信号；主动隔振方式虽然可以满足低频段隔振的要求，但是对控制律具有很大依赖性，控制不当容易发生失稳；对于半主动隔振方式，可以通过调节***的刚度、阻尼或者质量特性实现，其中调节刚度的方式更适用于对低频隔振要求较高的场合。
国内外变刚度设计主要是单向变刚度隔振的设计，尤其是纵向变刚度隔振，如：汽车变刚度座椅用于隔离行驶过程中产生的纵向振动，单向变刚度隔振装置适用于扰动方向单一的场合，而对于船舶和航天器工作状态下通常会受到多向扰动的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出三向变刚度隔振装置，以调节刚度值的方式，在高刚度与低刚度状态之间进行切换，实现半主动隔振，三个正交方向的刚度可调，并且在纵向和侧向的刚度调节具有解耦的优势，同时可以利用自身结构进行限位保护。
本发明解决技术的方案是：
三向变刚度隔振装置，包括底板、第一纵向调节机构、纵向调节板、纵向弹簧、2个连杆、2个侧向调节机构、连接耳片、中心板、纵向压杆、纵向拉杆、第二纵向调节机构、载物板、活动外壳、侧板、顶盖、n个支杆和平衡板；其中，底板为水平放置的板状结构；侧板沿周向环绕在底板的侧壁；第一纵向调节机构安装在底板上表面的中心位置；纵向调节板为平板结构，纵向调节板水平放置在第一纵向调节机构的顶部；纵向弹簧轴向竖直安装在纵向调节板的上表面中心位置；连接耳片安装在纵向弹簧的顶部；2个连杆水平对称设置在连接耳片的侧壁处；且每个连杆上设置有1个侧向调节机构；连接耳片的顶部伸出侧板；中心板水平设置在连接耳片的顶部；活动外壳沿周向环绕在中心板的侧壁，顶盖盖在活动外壳顶部开口处；纵向压杆轴向竖直放置；平衡板设置在纵向压杆的顶端；纵向压杆的轴向底端与中心板连接；纵向压杆的轴向顶端与平衡板下表面的中心连接；纵向拉杆轴向竖直放置，且纵向拉杆的轴向底端与平衡板上表面中心连接，纵向拉杆的轴向顶端与顶盖下表面中心连接；第二纵向调节机构设置在纵向拉杆上；n个支杆轴向竖直放置，且n个支杆沿平衡板周向均匀分布；n个支杆向上伸出载物板；载物板水平安装在n个支杆的顶端；被隔振物固定安装在载物板的上表面。
在上述的三向变刚度隔振装置，n为正整数，且n不小于4。
在上述的三向变刚度隔振装置，所述连杆的轴向一端通过单自由度铰链与连接耳片侧壁旋转连接；连杆的轴向另一端通过单自由度铰链与侧板内壁连接。
在上述的三向变刚度隔振装置，所述纵向压杆的轴向底端通过二自由度铰链与中心板连接，纵向压杆的轴向顶端通过二自由度铰链与顶盖连接；实现纵向压杆以二自由度铰链为基点的摆动。
在上述的三向变刚度隔振装置，放置被隔振物后，通过第一纵向调节机构调节纵向调节板的高度，实现改变纵向弹簧的压缩量及中心板的竖直高度；实现将2个连杆调整至水平状态。
在上述的三向变刚度隔振装置，2个连杆调整至水平状态后，通过侧向调节机构从中心向连杆的轴向两端方向在连杆上施加预紧力；在两侧侧向调节机构预紧力作用下，连接耳片的纵向刚度减小至0，对应着纵向隔振的平衡位置。
在上述的三向变刚度隔振装置，初始状态下，纵向拉杆承受平衡板的竖直向下拉力；纵向压杆承受平衡板的竖直向下压力；通过第二纵向调节机构从中心向纵向拉杆的轴向两端方向在纵向拉杆上施加预紧力；实现增加载物板、n个支杆和平衡板的横侧向刚度。
在上述的三向变刚度隔振装置，所述中心板和活动外壳仅实现相对于底板沿纵向平动，通过调节连接耳片的纵向连接刚度，实现纵向的隔振。
在上述的三向变刚度隔振装置，所述载物板仅相对中心板和活动外壳沿横侧向平动，由于采用二自由度铰链的连接方式，通过调节横侧向刚度，实现载物板在横侧向平面内的两个正交方向的隔振。
在上述的三向变刚度隔振装置，所述中心板和活动外壳实现了载物板相对底板的运动的解耦，被隔振物固定在载物板12上，沿着三个正交方向微幅运动，实现三向隔振，且刚度可调。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明开展了以刚度为调节参数的半主动隔振设计，隔振装置可以在高刚度与低刚度状态之间进行刚度调节；
(2)本发明的变刚度隔振装置实现了沿三个正交方向的变刚度调节，并且纵向和横向的刚度调节实现解耦；
(3)本发明的变刚度隔振装置可以利用自身结构进行限位保护。
附图说明
图1为本发明姿态耦合控制流程图；
图2为实施例结构示意图；
图3为实施例四块L型板和四根纵向压杆相对载物板的位置关系示意图；
图4为实施例载物板受到纵向载荷F总时，四根纵向压杆和四根纵向拉杆的受力示意图；
图5为实施例载物板受到纵向载荷F总时，连杆倾斜，隔振装置偏离平衡位置；
图6为在图5基础上调节纵向调节机构，实现连杆水平示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
船舶和航天器常常需要航向或姿态机动，这种状态下过低的隔振刚度可能会使隔振对象的晃动幅值过大甚至失稳，需要调节到高刚度状态以抑制可能产生的低频晃动。本发明提供的三向变刚度隔振装置，可以根据扰动特性进行自适应刚度调节，也可以调整到高刚度状态保证***的稳定性，为了降低装置的复杂程度以及缩短研制周期，研制过程中可以对隔振对象敏感的扰动分量进行变刚度设计，如航天器相机的成像质量对于沿相机视轴方向和垂直视轴方向的扰动十分敏感，隔振装置应至少具备三向变刚度调节能力，当相机工作时，隔振装置应具有较低刚度以抑制扰振，当姿态机动时，隔振装置应具有较高的刚度以抑制相机可能产生的低频晃动。
三向变刚度隔振装置，如图1所示，具体包括底板1、第一纵向调节机构2、纵向调节板3、纵向弹簧4、2个连杆5、2个侧向调节机构6、连接耳片7、中心板8、纵向压杆9、纵向拉杆10、第二纵向调节机构11、载物板12、活动外壳13、侧板16、顶盖17、n个支杆18和平衡板19；其中，底板1为水平放置的板状结构；侧板16沿周向环绕在底板1的侧壁；第一纵向调节机构2安装在底板1上表面的中心位置；纵向调节板3为平板结构，纵向调节板3水平放置在第一纵向调节机构2的顶部；纵向弹簧4轴向竖直安装在纵向调节板3的上表面中心位置；连接耳片7安装在纵向弹簧4的顶部；2个连杆5水平对称设置在连接耳片7的侧壁处；且每个连杆5上设置有1个侧向调节机构6；连接耳片7的顶部伸出侧板16；中心板8水平设置在连接耳片7的顶部；活动外壳13沿周向环绕在中心板8的侧壁，顶盖17盖在活动外壳13顶部开口处；纵向压杆9轴向竖直放置；平衡板19设置在纵向压杆9的顶端；纵向压杆9的轴向底端与中心板8连接；纵向压杆9的轴向顶端与平衡板19下表面的中心连接；纵向拉杆10轴向竖直放置，且纵向拉杆10的轴向底端与平衡板19上表面中心连接，纵向拉杆10的轴向顶端与顶盖17下表面中心连接；第二纵向调节机构11设置在纵向拉杆10上；n个支杆18轴向竖直放置，且n个支杆18沿平衡板19周向均匀分布；n个支杆18向上伸出载物板12；载物板12水平安装在n个支杆18的顶端；被隔振物固定安装在载物板12的上表面。n为正整数，且n不小于4。
连杆5的轴向一端通过单自由度铰链15与连接耳片7侧壁旋转连接；连杆5的轴向另一端通过单自由度铰链15与侧板16内壁连接。
纵向压杆9的轴向底端通过二自由度铰链14与中心板8连接，纵向压杆9的轴向顶端通过二自由度铰链14与顶盖17连接；实现纵向压杆9以二自由度铰链14为基点的摆动。
放置被隔振物后，通过第一纵向调节机构2调节纵向调节板2的高度，实现改变纵向弹簧4的压缩量及中心板8的竖直高度；实现将2个连杆5调整至水平状态。
2个连杆5调整至水平状态后，通过侧向调节机构6从中心向连杆5的轴向两端方向在连杆5上施加预紧力；在两侧侧向调节机构6预紧力作用下，连接耳片7的纵向刚度减小至0，对应着纵向隔振的平衡位置。
初始状态下，纵向拉杆10承受平衡板19的竖直向下拉力；纵向压杆9承受平衡板19的竖直向下压力；通过第二纵向调节机构11从中心向纵向拉杆10的轴向两端方向在纵向拉杆10上施加预紧力；实现增加载物板12、n个支杆18和平衡板19的横侧向刚度。
中心板8和活动外壳13仅实现相对于底板1沿纵向平动，通过调节连接耳片7的纵向连接刚度，实现纵向的隔振。
载物板12仅相对中心板8和活动外壳13沿横侧向平动，由于采用二自由度铰链的连接方式，通过调节横侧向刚度，实现载物板12在横侧向平面内的两个正交方向的隔振。
中心板8和活动外壳13实现了载物板12相对底板1的运动的解耦，被隔振物固定在载物板12上，沿着三个正交方向微幅运动，实现三向隔振，且刚度可调。
底板、侧板和活动外壳作为整个装置的外壳部分；底板固定在安装基础上，被隔振物固定在载物板上，实现被隔振物与安装基础之间的隔振；第一纵向调节机构固定在底板上，调节纵向调节板的高度，改变纵向弹簧的压缩量以及中心板的纵向高度；中心板固定着连接耳片，耳片通过连杆与侧板相连，连接方式为单自由度铰链，连杆上布置了侧向调节机构，侧向调节机构可以调节连杆的长度，改变耳片受到的侧向压力，调节纵向刚度特性；载物板位于中心板上方，通过纵向压杆与中心板相连，通过纵向拉杆与活动外壳相连，压杆和拉杆两端均采用二自由度铰链的连接方式，活动外壳与中心板相连；纵向拉杆上布置了第二纵向调节机构，可以调节拉杆长度，调节侧向刚度特性；中心板与侧板之间的间隙限制了装置向下的行程，连杆和侧向调节机构与侧板之间的间隙限制了装置向上的行程，实现自限位保护。
三向隔振的实现与底板对载物板的约束相关，根据约束条件可知，中心板和活动外壳的仅能相对底板沿纵向平动，通过设计和调节纵向连接刚度，实现纵向的隔振；载物板仅能相对中心板和活动外壳沿侧向平动，由于采用二自由度铰链的连接方式，通过设计和调节侧向约束刚度，可以实现在侧向平面内的两个正交方向的隔振，即：中心板及活动外壳实现了载物板相对底板的运动的解耦，通过改变纵向刚度和侧向刚度，实现在上述三个方向的变刚度调节；
纵向刚度调节与纵向调节板、第一纵向调节机构、纵向弹簧、连接耳片、连杆、侧向调节机构、连接铰链相关，纵向弹簧提供纵向正刚度，连接耳片、连杆、连接铰链提供纵向负刚度，正刚度与负刚度并联求和得到装置的纵向总刚度，利用侧向调节机构调节连杆受力，改变负刚度值，调节装置纵向总刚度；
第一纵向调节机构可以调节纵向调节板、纵向弹簧、中心板的高度，使得连杆保持水平，记为装置在纵向的平衡位置，相对于连杆倾斜的状态，平衡位置时纵向总刚度最小，若继续调节侧向调节机构，增大连杆受力，可以进一步调低装置纵向总刚度；
侧向刚度调节与纵向压杆、纵向拉杆、第二纵向调节机构、二自由度铰链相关，压杆用于构成倒立摆，具有侧向负刚度特性，拉杆用于构成单摆，具有侧向正刚度特性，装置的侧向刚度等于侧向正负刚度之和，拉杆和压杆共同承载被隔振物的重量，第二纵向调节机构通过改变拉杆受力可以改变压杆受力，进而改变侧向负刚度值，实现侧向刚度调节；
三向变刚度隔振装置纵向刚度与侧向刚度可独立调节，调节纵向刚度时不会影响侧向刚度，调节侧向刚度时不会影响纵向刚度，即：刚度调节具有解耦的优势；
三向变刚度隔振装置的侧板具有限位保护的作用，中心板与侧板之间的间隙是装置的载物板可向下运动的范围，连杆和侧向调节机构与侧板之间的间隙是装置的载物板可向上运动的范围，活动外壳的开孔对载物板的侧向运动进行限位。
如图2所示，本发明的三向变刚度隔振装置的实施例，其中，底板38、纵向调节板139、纵向调节机构140、四根纵向弹簧20、侧板21、中心板22、四根纵向压杆23、顶板24、四根纵向拉杆25、载物板26、纵向调节板227、纵向调节机构228、二自由度铰链29、四块L型板30、连接耳片31、连杆32、导向槽33、侧向调节机构34、侧向弹簧35、滑块36、连接铰链37；
纵向弹簧、纵向拉杆和纵向压杆的数量、侧向调节的实现方式、外壳部分的设计型式。增加纵向弹簧、纵向拉杆和纵向压杆的数量可以提高装置在纵向的承载能力，同时增强对中心板和载物板转动自由度的约束能力。
侧向调节的实现方式由侧向调节机构直接作用在连杆上改为通过侧向弹簧、滑块以作用在连杆上，滑块的运动由固定在侧板上的导向槽约束，这样可以提高侧向调节精度。
外壳部分的侧板增大，将活动外壳包括在内，形成一个整体式外壳，利用外壳顶板实现限位。
图3为四块L型板和四根纵向压杆相对载物板的位置关系示意图，虚线表示每个二自由度铰链的转轴；四根纵向弹簧、四根纵向压杆、四根纵向拉杆、四块L型板均呈矩形型式分布。
图中23-1至23-4为四根纵向压杆的交点位置；25-1至25-4为四根纵向拉杆的焦点位置。载物板与中心板之间由倒立摆***和单摆***组成，倒立摆***由四根压杆组成，用于提供侧向负刚度，刚度值由压杆参数以及受力决定，单摆***由四根拉杆以及四块L型板组成，提供侧向正刚度，刚度值由压杆长度决定。
图4为四根纵向压杆和四根纵向拉杆的受力示意图，纵向调节机构2固定在中心板上，调节纵向调节板1的高度，改变四根拉杆的受力∑F拉，由于∑F拉+∑F压＝F总，会引起四根压杆受力∑F压的变化，侧向的负刚度特性也会变化，实现侧向刚度的调节。
图5、图6分别对应于纵向刚度调节部分受载后偏离平衡位置的示意图和调整到平衡位置的示意图；
隔振装置进行刚度调节时，首先将连杆调整到水平状态，其次调节四根拉杆的受力，使压杆处于竖直状态，接着根据要求调节纵向刚度，最后根据要求微调侧向刚度。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.三向变刚度隔振装置，其特征在于：包括底板(1)、第一纵向调节机构(2)、纵向调节板(3)、纵向弹簧(4)、2个连杆(5)、2个侧向调节机构(6)、连接耳片(7)、中心板(8)、纵向压杆(9)、纵向拉杆(10)、第二纵向调节机构(11)、载物板(12)、活动外壳(13)、侧板(16)、顶盖(17)、n个支杆(18)和平衡板(19)；其中，底板(1)为水平放置的板状结构；侧板(16)沿周向环绕在底板(1)的侧壁；第一纵向调节机构(2)安装在底板(1)上表面的中心位置；纵向调节板(3)为平板结构，纵向调节板(3)水平放置在第一纵向调节机构(2)的顶部；纵向弹簧(4)轴向竖直安装在纵向调节板(3)的上表面中心位置；连接耳片(7)安装在纵向弹簧(4)的顶部；2个连杆(5)水平对称设置在连接耳片(7)的侧壁处；且每个连杆(5)上设置有1个侧向调节机构(6)；连接耳片(7)的顶部伸出侧板(16)；中心板(8)水平设置在连接耳片(7)的顶部；活动外壳(13)沿周向环绕在中心板(8)的侧壁，顶盖(17)盖在活动外壳(13)顶部开口处；纵向压杆(9)轴向竖直放置；平衡板(19)设置在纵向压杆(9)的顶端；纵向压杆(9)的轴向底端与中心板(8)连接；纵向压杆(9)的轴向顶端与平衡板(19)下表面的中心连接；纵向拉杆(10)轴向竖直放置，且纵向拉杆(10)的轴向底端与平衡板(19)上表面中心连接，纵向拉杆(10)的轴向顶端与顶盖(17)下表面中心连接；第二纵向调节机构(11)设置在纵向拉杆(10)上；n个支杆(18)轴向竖直放置，且n个支杆(18)沿平衡板(19)周向均匀分布；n个支杆(18)向上伸出载物板(12)；载物板(12)水平安装在n个支杆(18)的顶端；被隔振物固定安装在载物板(12)的上表面。
2.根据权利要求1所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：n为正整数，且n不小于4。
3.根据权利要求1所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：所述连杆(5)的轴向一端通过单自由度铰链(15)与连接耳片(7)侧壁旋转连接；连杆(5)的轴向另一端通过单自由度铰链(15)与侧板(16)内壁连接。
4.根据权利要求3所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：所述纵向压杆(9)的轴向底端通过二自由度铰链(14)与中心板(8)连接，纵向压杆(9)的轴向顶端通过二自由度铰链(14)与顶盖(17)连接；实现纵向压杆(9)以二自由度铰链(14)为基点的摆动。
5.根据权利要求4所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：放置被隔振物后，通过第一纵向调节机构(2)调节纵向调节板(2)的高度，实现改变纵向弹簧(4)的压缩量及中心板(8)的竖直高度；实现将2个连杆(5)调整至水平状态。
6.根据权利要求5所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：2个连杆(5)调整至水平状态后，通过侧向调节机构(6)从中心向连杆(5)的轴向两端方向在连杆(5)上施加预紧力；在两侧侧向调节机构(6)预紧力作用下，连接耳片(7)的纵向刚度减小至0，对应着纵向隔振的平衡位置。
7.根据权利要求6所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：初始状态下，纵向拉杆(10)承受平衡板(19)的竖直向下拉力；纵向压杆(9)承受平衡板(19)的竖直向下压力；通过第二纵向调节机构(11)从中心向纵向拉杆(10)的轴向两端方向在纵向拉杆(10)上施加预紧力；实现增加载物板(12)、n个支杆(18)和平衡板(19)的横侧向刚度。
8.根据权利要求7所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：所述中心板(8)和活动外壳(13)仅实现相对于底板(1)沿纵向平动，通过调节连接耳片(7)的纵向连接刚度，实现纵向的隔振。
9.根据权利要求8所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：所述载物板(12)仅相对中心板(8)和活动外壳(13)沿横侧向平动，由于采用二自由度铰链的连接方式，通过调节横侧向刚度，实现载物板(12)在横侧向平面内的两个正交方向的隔振。
10.根据权利要求9所述的三向变刚度隔振装置，其特征在于：所述中心板(8)和活动外壳(13)实现了载物板(12)相对底板(1)的运动的解耦，被隔振物固定在载物板12上，沿着三个正交方向微幅运动，实现三向隔振，且刚度可调。
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Citations (8)

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