一种基于准零刚度的隔振器

摘要

本发明公开一种基于准零刚度的隔振器，属于超精密减振领域。该隔振器包括以一个具有负刚度位移区间的开槽碟形弹簧为主要弹性元件，在此基础上并联一个刚度较小的磁流变弹性体；通过一个刚度调节装置来调节磁流变弹性体的刚度，使载荷下的由开槽碟形弹簧和磁流变弹性体并联的整个隔振系统在一定工作位移区间下满足准零刚度的需求，为实现精密减振系统的要求的低固有频率、高承载、小变形提供了可能。

权利要求

1.一种基于准零刚度的隔振器，其特征在于：以一个具有负刚度位移区间的开槽碟形弹簧为主要弹性元件，在此基础上并联一个刚度较小的磁流变弹性体；通过一个刚度调节装置来调节磁流变弹性体的刚度，使载荷下的由开槽碟形弹簧和磁流变弹性体并联的整个系统在一定工作位移区间下满足准零刚度的需求；

刚度调节装置调节磁流变弹性体的刚度的方法是：通过调整夹紧结构的夹紧力来改变超磁致伸缩材料的导磁率，影响磁感线在磁流变弹性体中的分布，进而调节磁流变弹性体的刚度。

2.根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于：包括双头活塞、开槽碟形弹簧、压盘、超磁致伸缩管、永磁体、磁流变弹性体、导磁盘、承载端、上端盖、调节螺栓、紧固螺栓、紧固螺母、调节螺母；底座上设置壳体，壳体上方由紧固螺栓、紧固螺母固定上端盖，上端盖的通孔内设置双头活塞，承载端为双头活塞的上端，双头活塞的两活塞端面分别与开槽碟形弹簧的上端面和磁流变弹性体的上端面相抵接，碟形弹簧的下端面及磁流变弹性体的下端面与壳体固定；调节螺栓、超磁致伸缩管、环状永磁体和磁流变弹性体依次嵌套，压盘设置在超磁致伸缩管的上方，调节螺栓穿过压盘上的通孔后与壳体下部外侧的调节螺母螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的隔振器，其特征在于：所述壳体下部设置调节口，调节螺母设置在所述调节口内。

说明书

一种基于准零刚度的隔振器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种精密减振技术，具体说就是一种基于准零刚度的 隔振器。

背景技术

[0002] 精密仪器设备的加工及测量不仅与设备本身的精度相关，还受到 周围振动环境的影响，隔振技术作为一种有效的载荷传递路径隔离方 式被广泛地应用于工程实际当中。其中，被动隔振技术因其具有稳定 性高、低功耗、结构简单等优点一直得到持续的关注。然而，根据振 动控制理论，当系统的激励频率与隔振器的固有频率之比大于 时， 才具有隔振性能。传统的正刚度隔振系统往往仅对高频段的有害振动 具有隔振效果，而对于精密仪器设备受到的低频微颤往往难以有效隔 离。

[0003] 因此，近些年通过在传统正刚度隔振器的基础上引入负刚度机构， 负刚度弹簧和正刚度机械弹簧并联构成。通过合理调节正、负刚度， 使得在平衡点附近的区域内负刚度装置抵消了部分正刚度，并联机构 的总刚度趋向于零，即达到了准零刚度。

[0004] 隔振器的固有频率计算公式为

[0005] 式中：

[0006] K—隔振器刚度

[0007] M—质量

[0008] 因此实现准零刚度，大大降低了系统的固有频率。从而能够进一 步拓宽隔振频带，实现对低频振动的有效抑制。

[0009] 如图1所示，因为碟形弹簧的载荷位移特性具有很大的非线性， 其在特定条件下可产生负刚度。所以常被作为零刚度隔振器的组成元 件，碟形弹簧根据圆锥高度H和厚度t之比，可得到不同的特性曲线， 其中 时会有相应的零刚度区间，但是由于工作区间极短，不 能直接用于工程实例。所以常利用其 时出现的负刚度特性来 作为负刚度元件使用。

[0010] 如申请号为201310153510.8的发明专利，详细给出了具有负刚 度碟形弹簧及其弹簧组的设计过程方法，但是碟形弹簧的高度和板厚 在制造中出现即使不大的误差，其刚度曲线特性也会有较大的偏差， 碟形弹簧组经过多片叠加，工作过程中各接触面会出现不均匀摩擦， 不可避免地导致设计结果出现偏差，影响整个系统刚度的匹配。

[0011] 如申请号为201310330360.3的发明专利，采用了类似碟形弹簧 的加筋碟形橡胶来实现负刚度原理，可以更容易地实现负刚度特性， 但是此碟形橡胶不同于具有标准的碟形弹簧，其制造工艺不好保证， 而且由于橡胶的强非线性，其采用的类似碟形弹簧的分析计算方法也 有待验证。

[0012] 当在碟形弹簧上开出由内向外的径向沟槽，其刚度会降低，且特 性曲线会发生明显变化，零刚度区间变长且出现负刚度区间。虽然可 以通过调整设计参数使开槽碟形弹簧的零刚度区间增大到满足工作 要求，但是碟形弹簧的高度和板厚在制造中出现即使不大的误差，其 特性也会有较大的偏差，当H/t比值偏小时，零刚度区间过小甚至不 存在，当比值偏大，具有不稳定工况的负刚度区间也相应扩大，所以 不能单独使用碟形弹簧作为弹性元件，而是采用具有一定负刚度区间 的开槽碟形弹簧与正刚度机构并联配合工作。

[0013] 综上可知，负刚度装置与正刚度装置的匹配是实现准零刚度隔振 器的关键。然而现有的负刚度装置实现方式都不可避免的带来了非线 性的影响，很难直接控制隔振器的设计参数来达到准零刚度要求。除 此之外，在实际应用中普遍存在着的加工制造和装配误差，这都需要 相应刚度调整装置来修正。而现有的零刚度隔振器技术方案都存着缺 少刚度调整装置或者调节装置复杂不便操作的问题。

发明内容

[0014] 本发明针对目前准零刚度隔振器存在的问题，提出一种基于准零 刚度的隔振器。

[0015] 本发明的技术方案为：

[0016] 一种基于准零刚度的隔振器，以一个具有负刚度位移区间的开槽 碟形弹簧为主要弹性元件，在此基础上并联一个刚度较小的磁流变弹 性体；通过一个刚度调节装置来调节磁流变弹性体的刚度，使载荷下 的由开槽碟形弹簧和磁流变弹性体并联的整个系统在一定工作位移 区间下满足准零刚度的需求。

[0017] 刚度调节装置调节磁流变弹性体的刚度的方法是：通过调整夹紧 结构的夹紧力来改变超磁致伸缩材料的导磁率，影响磁感线在磁流变 弹性体中的分布，进而调节磁流变弹性体的刚度。

[0018] 本发明的具体结构包括双头活塞、开槽碟形弹簧、压盘、超磁致 伸缩管、永磁体、磁流变弹性体、导磁盘、承载端、上端盖、调节螺 栓、紧固螺栓、紧固螺母、调节螺母；底座上设置壳体，壳体上方由 紧固螺栓、紧固螺母固定上端盖，上端盖的通孔内设置双头活塞，承 载端为双头活塞的上端，双头活塞的两活塞端面分别与开槽碟形弹簧 的上端面和磁流变弹性体的上端面相抵接，碟形弹簧的下端面及磁流 变弹性体的下端面与壳体固定；

[0019] 刚度调节装置的夹紧结构为：调节螺栓、超磁致伸缩管、环状永 磁体和磁流变弹性体依次嵌套，压盘设置在超磁致伸缩管的上方，调 节螺栓穿过压盘上的通孔后与壳体下部外侧的调节螺母螺纹连接。

[0020] 为便于调节，所述壳体下部设置调节口，调节螺母设置在所述调 节口内。

[0021] 本发明与现有技术相比，其有益效果如下：

[0022] 1、本发明的准零刚度隔振器实现方法简单准确、利用可调节刚 度的磁流变弹性体，将开槽碟形弹簧的负刚度区间转换为准零刚度区 间，减小了设计、制造、装配中误差的影响。

[0023] 2、本发明结构紧凑、可靠，以开槽碟形弹簧为主要弹性元件， 能以小变形承受大载荷，节约轴向空间。该结构不需要电源和传感器 具有更高的可靠性和较低的成本。

[0024] 3、本发明刚度调节方式便捷，利用智能材料的磁流变效应和磁 致效应，可以实现磁流变弹性体刚度的无级调节。保证系统的隔振效 果。

附图说明

[0025] 图1为碟形弹簧刚度特性曲线图；

[0026] 图2为隔振器刚度特性匹配图；

[0027] 图3为隔振器结构图；

[0028] 图4为刚度调节装置原理图；

[0029] 图5为磁流变弹性体磁通回路示意图；

[0030] 图中，1为双头活塞、2为开槽碟形弹簧、3为压盘、4为超磁 致伸缩管、5为永磁体、6为磁流变弹性体、7为导磁盘、8为承载端、 9为上端盖、10为调节螺栓、11为紧固螺栓、12为紧固螺母、13为 调节螺母、14为调节口、15为底座。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明做进一步说明。如图3所示，本发明的具 体结构：双头活塞1、开槽碟形弹簧2、压盘3、超磁致伸缩管4、环 状永磁体5、磁流变弹性体6、导磁盘7、承载端
8、上端盖9、调节 螺栓10、紧固螺栓11、紧固螺母12、调节螺母13、调节口14和底 座15；底座
15上设置壳体，壳体上方由紧固螺栓11、紧固螺母12 固定上端盖9，上端盖9的通孔内设置双头活塞1，承载端8为双头 活塞1的上端，双头活塞1的两活塞端面分别与开槽碟形弹簧2的上 端面和磁流变弹性体6的上端面相抵接，碟形弹簧2的下端面及磁流 变弹性体6的下端面与壳体固定；

[0032] 刚度调节装置的夹紧结构为：调节螺栓10、超磁致伸缩管4、环 状永磁体5和磁流变弹性体6依次嵌套，压盘3设置在超磁致伸缩管 4的上方，调节螺栓10穿过压盘3上的通孔后与壳体下部外侧的调 节螺母螺纹连接。

[0033] 为便于调节，所述壳体下部设置调节口14，调节螺母13设置在 所述调节口内。

[0034] 所述的磁流变弹性体，是将微米尺度的铁磁性颗粒掺入到高分子 聚合物中，其弹性模量小于碟形弹簧，可随外加磁场强度进行快速可 逆的变化。适合作为附加的可调整正刚度元件的材料，其主要起两个 作用：一是将碟形弹簧的负刚度区间修正为准零刚度区间，二是调节 了整体隔振器的承载能力，使得工作载荷处于合理的准零刚度区间内。

[0035] 如图4所示，通过调节磁流变弹性体的刚度曲线斜率，使由开槽 碟形弹簧和磁流变弹性体并联的整个隔振器系统的刚度曲线形状发 生变化，既可以调节平衡位置附近准零刚度的曲线形状，也可以调节 匹配的隔振器工作载荷。实际中由于设计和制造中误差带来的影响很 难使两者同时达到最优效果，实用调整策略为优先保证隔振器工作载 荷匹配，工作区间内的刚度足够小即可满足低频隔振，不必过度追求 零刚度，以免超调为负刚度而使系统失稳。

[0036] 如图5所示，磁流变弹性体刚度装置调节原理如下，调节螺栓 11、超磁致伸缩管4、环状永磁体5和磁流变弹性体6依次嵌套，由 永磁体5发出的磁通量分别产生两个磁通回路，其一为依次通过压盘 3、超磁致伸缩管4、导磁盘7的调节磁场回路。其二为依次通过压 盘3、双头活塞1、磁流变弹性体6、导磁盘7的工作磁场回路。

[0037] 使用工具通过调节口14来调整调节螺母13的松紧，当旋紧调节 螺母13时，调节螺栓10带动压盘3相对导磁盘7向下运动，使位于 压盘3和导磁盘7之间的超磁致伸缩管4受到压缩，发生压磁效应， 其材料的导磁系数降低，导致调节磁场回路中的总磁阻增加，而工作 磁场回路中总磁阻不变，导致总的磁通量被重新分配，调节回路中的 磁减弱，工作回路中磁通增强，位于工作回路中的磁流变弹性体6， 感应到磁通量增强，发生磁流变效应。其材料的弹性模量增大，从而 使磁流变弹性体6构成的弹性元件刚度变大。反之，当旋松调节螺母 时，该部分弹性元件刚度减小。

[0038] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而 非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细地说明，所属 领域的普通技术人员应当理解:技术人员阅读本申请说明书后依然可 以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变 更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。