CN111981085B - 基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁负刚度的弹性‑迟滞低频大位移隔振器，上平台和下平台由各拱形梁弹簧相连接，使上平台相对于下平台仅沿轴向相对运动；设置在下平台上、并由内外磁环和电磁线圈构成的电磁负刚度弹簧与第二及第三薄片弹簧并联构成实时可调的电磁双稳态机构，将电磁双稳态机构与固连在上平台上的第一薄片弹簧串联配置；在低频大位移振动激励下，电磁双稳态机构在两个平衡点间往复突跳而耗能产生弹性‑迟滞现象，实现高效隔振；由内外磁环提供永磁负刚度，调节电磁线圈中通入电流的大小能够实现电磁负刚度性能的实时调控，以此获得理想的电磁双稳态特性，实现主被动一体化隔振，本发明尤其适用于低频大位移隔振、缓冲的工况。

Description

基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器

技术领域

本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种基于电磁负刚度的双稳态机构与线性薄片弹簧串联设计的弹性-迟滞低频大位移隔振器。

背景技术

机械振动普遍存在于生产实践当中，尽管工业中常利用振动现象进行筛选、沉桩和输送为实际生产提供诸多便利；但在多数工况下，振动将会对人类的生产带来诸多不利影响。特别是随着航天高新技术的快速发展，为满足不断提升的在轨运行指标，各类航天装备，如天线、太阳能帆板等，都朝着大尺度和柔性化方向发展，极易在外部干扰下产生低频大位移振动响应，如某口径为15m的环形天线在调姿期间产生一阶共振频率仅为0.22Hz，且振幅为5-6cm的低频大位移振动响应；在特种军用车辆领域，因路面不平、转向等因素使得行驶车辆产生的低频大位移振动响应将导致80％的车载精密电子设备破坏失效。鉴于以上各类工程结构的低频大位移振动响应带来的严重危害，需对该类振动响应进行有效控制以避免其产生的不利影响。

实际工程中的低频大位移振动响应来源复杂，且无法从源头消除，采用隔振技术是优选的控制方法。针对低频振动响应抑制问题，研究人员基于智能材料研究了各类主动隔振方法，但因主动隔振方式存在功耗高、可靠性低、系统复杂等缺陷在应用中受到很大限制。近年来通过负刚度机构与正刚度元件并联设计的被动式准零刚度隔振器得到了广泛的关注。已有准零刚度隔振器均对低频微位移振动响应具有良好的隔离效果，而负刚度机构在低频大位移振动激励作用下伴随着强刚度非线性特性，使其对低频大位移振动难以实现高效隔离。因此，为能够有效抑制实际工程中的低频大位移振动响应，通过将负刚度机构与正刚度元件串联应用于低频大位移振动响应控制，以增加隔振系统的内部阻尼耗能性能，但其仍处于理论探索阶段，尚无有效的减振装置以应对实际工程中的低频大位移振动响应。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器，应用于低频大位移隔振、缓冲等工况，在低频大位移振动激励下，通过电磁双稳态机构在两个平衡点间的往复突跳而耗能产生弹性-迟滞现象，实现高效隔振；在无附加阻尼材料前提下实现低频大位移振动响应的显著衰减。

本发明为实现发明目的采用如下技术方案：

本发明基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器的结构特点是：上平台和下平台由等间距分布在外周的各拱形梁弹簧相连接，由所述拱形梁弹簧约束上平台相对于下平台仅沿轴向相对运动；在所述下平台上固定设置由内磁环、外磁环和电磁线圈构成的电磁负刚度弹簧，所述电磁负刚度弹簧与第二薄片弹簧及第三薄片弹簧并联构成实时可调的电磁双稳态机构，所述电磁双稳态机构通过中心轴与固连在上平台上的第一薄片弹簧串联配置。

本发明基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振的结构特点也在于：所述第一薄片弹簧，其外圈固定在上平台的第一凸台上，第一薄片弹簧的第一中心孔套合在中心轴的上端，并由第一螺母与中心轴的上螺纹段配合固定；所述第二薄片弹簧和第三薄片弹簧与下平台固定连接，是由第三螺钉依次穿过第二薄片弹簧外圈中第二外周通孔、外磁环固定件中第三外周通孔、外磁环夹具中第四外周通孔、第三薄片弹簧外圈中第五外周通孔与下平台上的第三螺纹通孔固定连接；第二薄片弹簧的第二中心孔套合在中心轴的中段，并由第二螺母和中心轴的中螺纹段配合固定；第三薄片弹簧的第三中心孔套合在中心轴的下段，并由第三螺母与中心轴的下螺纹段及第二凸台配合固定。

本发明基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振的结构特点也在于：所述电磁双稳态机构中，外磁环由外磁环夹具和外磁环固定件夹持固定在下平台上，在第二薄片弹簧和第三薄片弹簧之间沿中心轴上依次设置套管、端盖、内磁环和内磁环夹具，并由所述第二螺母紧固在中螺纹段和第二凸台之间，内磁环由端盖固定在内磁环夹具中，所述电磁线圈设置在内磁环夹具的外周。

本发明基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振的结构特点也在于：

所述拱形梁弹簧的装配结构为：

所述拱形梁弹簧上端呈水平为上固定边，并有上固定边中的第一通孔；

所述拱形梁弹簧下端呈水平为下固定边；并有下固定边中的第二通孔；

所述上平台在底面有适配于上固定边的带有第一螺纹通孔的水平凹槽；

所述下平台在底面有适配于下固定边的带有第二螺纹通孔的水平凹槽；

拱形梁弹簧的上固定边与上平台中水平凹槽嵌合，并由第一螺钉连接；

拱形梁弹簧的下固定边与下平台中水平凹槽嵌合，并由第四螺钉连接。

本发明基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振的结构特点也在于：所述内磁环和外磁环均采用沿轴向充磁的钕铁硼材料，除内磁环、外磁环和电磁线圈外，隔振器的其它构件均采用非导磁材料或弱导磁材料。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明将电磁双稳态机构与线性薄片弹簧串联引入一个内部自由度，再与拱形梁弹簧并联，在低频大位移振动激励下，通过电磁双稳态机构在两个平衡点间的往复突跳而耗能，产生弹性-迟滞现象，实现低频大位移振动响应的高效隔离。

2、本发明中由内磁环、外磁环和电磁线圈构成电磁负刚度机构，在电磁线圈未通电时，由内磁环和外磁环提供永磁负刚度；当电磁线圈通电时，调节通入电流大小可实现电磁负刚度性能的实时控制，从而获得理想的电磁双稳态特性，实现主被动一体化隔振；

3、本发明所具有的损耗因子与激励频率及装置自身固有阻尼特性无关，具有高度振幅依赖性，有利于低频大位移振动响应的高性能抑制。

4、本发明利用拱形梁弹簧约束上平台相对下平台仅产生沿轴向的相对运动，避免因使用具有导向功能的直线轴承而引入摩擦效应。

5、本发明将除内磁环、外磁环和电磁线圈以外的其它构件采用非导磁或弱导磁材料，能有效避免对电磁机构的磁场造成干扰；

6、本发明应用电磁机构，其响应快、无接触、体积小，且清洁，无需附加外部阻尼材料；其结构简单、使用方便、成本低廉、承载力强。

附图说明

图1为本发明中隔振器结构示意图；

图2a为本发明隔振器中的上平台示意图；

图2b为本发明隔振器中的下平台示意图；

图3a为本发明隔振器中的第一薄片弹簧示意图；

图3b为本发明隔振器中的第二薄片弹簧示意图；

图3c为本发明隔振器中的第三薄片弹簧示意图；

图4为本发明隔振器中的拱形梁弹簧示意图；

图5为本发明隔振器中的中心轴示意图；

图6为本发明隔振器中的外磁环固定件示意图；

图7为本发明隔振器中的外磁环夹具示意图；

图8为本发明隔振器中的内磁环夹具示意图；

图9为本发明隔振器中电磁双稳态机构势能图；

图10为本发明隔振器的弹性-迟滞恢复力曲线。

图中标号：1上平台，1.1第一螺纹通孔，1.2第一凸台，1.3沉头孔，2第一螺钉，3第二螺钉，4第一薄片弹簧，4.1第一中心孔，4.2第一外周通孔，5中心轴，5.1上螺纹段，5.2中螺纹段，5.3第二凸台，5.4下螺纹段，6第一螺母，7拱形梁弹簧，7.1上固定边，7.2下固定边，7.3第一通孔，7.4第二通孔，8第二薄片弹簧，8.1第二中心孔，8.2第二外周通孔，9第三螺钉，10第二螺母，11套管，12外磁环固定件，12.1第三外周通孔，13外磁环夹具，13.1第四外周通孔，13.2底边凸台，14内磁环，15外磁环，16端盖，17内磁环夹具，17.1上凸台，17.2下凸台，17.3底面通孔，17.4内环槽，18电磁线圈，19第三薄片弹簧，19.1第三中心孔，19.2第五外周通孔，20第三螺母，21下平台，21.1第二螺纹通孔，21.2第三螺纹通孔，21.3支撑脚，22第四螺钉。

具体实施方式

参见图1，本实施例中基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器的结构形式是：

上平台1和下平台21由等间距分布在外周的6根结构相同的拱形梁弹簧7相连接，由拱形梁弹簧7约束上平台1相对于下平台21仅沿轴向相对运动。

在下平台21上固定设置由内磁环14、外磁环15和电磁线圈18构成的电磁负刚度弹簧，电磁负刚度弹簧与第二薄片弹簧8及第三薄片弹簧19并联构成实时可调的电磁双稳态机构，电磁双稳态机构通过中心轴5与固连在上平台1上的第一薄片弹簧4串联配置。

具体实施中，相应的结构形式也包括：

如图1、图2a和图3a所示，第一薄片弹簧4，其外圈固定在上平台1的第一凸台1.2上，第一薄片弹簧4的第一中心孔4.1套合在中心轴5的上端，并由第一螺母6与中心轴5的上螺纹段5.1配合固定；具体是在第一薄片弹簧4的外圈有第一外周通孔4.2，在第一薄片弹簧4的中心有第一中心孔4.1，在上平台1中第一凸台1.2上有沉头孔1.3；第二螺钉3穿过第一外周通孔4.2在沉头孔1.3中螺纹连接。

如图1、图2b、图3b、图3c和图5所示，第二薄片弹簧8和第三薄片弹簧19与下平台21固定连接，是由第三螺钉9依次穿过第二薄片弹簧8外圈中第二外周通孔8.2、外磁环固定件12中第三外周通孔12.1、外磁环夹具13中第四外周通孔13.1、第三薄片弹簧19外圈中第五外周通孔19.2与下平台21上的第三螺纹通孔21.2固定连接，下平台21的底部设置有支撑脚21.3；第二薄片弹簧8的第二中心孔8.1套合在中心轴5的中段，并由第二螺母10和中心轴5的中螺纹段5.2配合固定；第三薄片弹簧19的第三中心孔19.1套合在中心轴5的下段，并由第三螺母20与中心轴5的下螺纹段5.4及第二凸台5.3配合固定。

如图1、图6、图7和图8所示，电磁双稳态机构中，外磁环15由外磁环夹具13中的底边凸台13.2和外磁环固定件12夹持固定在下平台21上，在第二薄片弹簧8和第三薄片弹簧19之间沿中心轴5上依次设置套管11、端盖16、内磁环14和内磁环夹具17，并由第二螺母10紧固在中螺纹段5.2和第二凸台5.3之间，内磁环14由端盖16固定在内磁环夹具17中，电磁线圈18设置在内磁环夹具17的外周，在内磁环夹具17的外圆周面上分别设置上凸台17.1和下凸台17.2，形成电磁线圈18的线圈骨架；图8所示的内磁环夹具17在底面中心设置有底面通孔17.3，中心轴5在内磁环夹具17的底面通孔17.3中穿过；在内磁环夹具17的上圈内环设置有内环槽17.4，端盖16置于内环槽17.4上。

如图1、图2a、图2b和图4所示，拱形梁弹簧7的装配结构为：拱形梁弹簧7上端呈水平为上固定边7.1，并有上固定边中的第一通孔7.3；拱形梁弹簧7下端呈水平为下固定边7.2，并有下固定边中的第二通孔7.4；上平台1在底面有适配于上固定边7.1的带有第一螺纹通孔1.1的水平凹槽；下平台21在底面有适配于下固定边7.2的带有第二螺纹通孔21.1的水平凹槽；拱形梁弹簧7的上固定边7.1与上平台1中水平凹槽嵌合，第一螺钉2穿过上固定边7.1中的第一通孔7.3与上平台1上水平凹槽中的第一螺纹通孔1.1螺纹连接；拱形梁弹簧7的下固定边7.2与下平台21中水平凹槽嵌合，第四螺钉22穿过下固定边7.2中的第二通孔7.4与下平台21上水平凹槽中的第二螺纹通孔21.1螺纹连接。

内磁环14和外磁环15均采用沿轴向充磁的钕铁硼材料，除内磁环14、外磁环15和电磁线圈18外，隔振器的其它构件均采用非导磁材料或弱导磁材料。

当上平台1相对下平台21沿轴向相对运动时，第一薄片弹簧4通过中心轴5与由第二薄片弹簧8、第三薄片弹簧19、内磁环14、外磁环15和电磁线圈18构成的电磁双稳态机构串联为隔振器引入一个内部自由度，在低频大位移振动激励作用下，隔振器将在电磁双稳态机构的两个平衡点间往复突跳，产生具有显著耗能特性的弹性-迟滞现象。

内磁环14、外磁环15和电磁线圈18构成可调的电磁负刚度机构，当电磁线圈18未通电时，由内磁环14和外磁环15提供永磁负刚度；当电磁线圈18通电时，通过调节电流大小可实现电磁负刚度性能的实时控制，获取所需的电磁双稳态特性。

本发明中第二薄片弹簧8、第三薄片弹簧19与由内磁环14、外磁环15和电磁线圈18构成的电磁负刚度弹簧进行并联构成势函数具有两个平衡点的电磁双稳态机构，其势函数如图9所示，图9示出电磁双稳态机构具有两个，即平衡点1和平衡点2，电磁双稳态机构将在这两个平衡点之间作往复跳跃运动。

使用时，被隔振物体固连在上平台1上，下平台21与外部振源相连，当外部振源对下平台21施加低频大位移振动激励时，固连被隔振物体的上平台1将相对于下平台21产生低频大位移振动响应，连接第一薄片弹簧4的中心轴5将在由第二薄片弹簧8、第三薄片弹簧19与内磁环14、外磁环15、电磁线圈18构成电磁双稳态机构的两个平衡点之间往复跳跃，因而将第一薄片弹簧4在振动过程中的形变而存储的弹性应变能不断释放，产生弹性-迟滞现象，如图10所示，图10中面积更大的三角形区域表征输入能量，输入能量为隔振器所受力与竖向振动位移的乘积，当隔振器受到低频大位移振动激励时，其电磁双稳态机构将会在平衡点1和平衡点2之间作往复突跳运动，产生如图10中平行四边形区域所示的弹性-迟滞回路，面积越大的平行四边形区域表明耗能效果越佳。本发明通过第一薄片弹簧4与电磁双稳态机构串联引入一个内部自由度，使得本发明的损耗因子与激励频率、装置固有阻尼无关，而高度依赖振动响应幅值，将有助于低频大位移振动响应的的高效抑制。

本发明在电磁线圈18未通电时，由内磁环14和外磁环15提供永磁负刚度；在电磁线圈18通电时，调节通入电流的大小实现电磁负刚度性能的实时调控，获得理想的电磁双稳态特性，实现主被动一体化隔振。

Claims (5)

1.一种基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器，其特征是：上平台(1)和下平台(21)由等间距分布在外周的各拱形梁弹簧(7)相连接，由所述拱形梁弹簧(7)约束上平台(1)相对于下平台(21)仅沿轴向相对运动；在所述下平台(21)上固定设置由内磁环(14)、外磁环(15)和电磁线圈(18)构成的电磁负刚度弹簧，所述电磁负刚度弹簧与第二薄片弹簧(8)及第三薄片弹簧(19)并联构成实时可调的电磁双稳态机构，所述电磁双稳态机构通过中心轴(5)与固连在上平台(1)上的第一薄片弹簧(4)串联配置；当电磁线圈(18)未通电时，由内磁环(14)和外磁环(15)提供永磁负刚度；当电磁线圈(18)通电时，通过调节电流大小可实现电磁负刚度性能的实时控制，获取所需的电磁双稳态特性；除内磁环(14)、外磁环(15)和电磁线圈(18)外，隔振器的其它构件均采用非导磁材料或弱导磁材料。

2.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器，其特征是：所述第一薄片弹簧(4)，其外圈固定在上平台(1)的第一凸台(1.2)上，第一薄片弹簧(4)的第一中心孔(4.1)套合在中心轴(5)的上端，并由第一螺母(6)与中心轴(5)的上螺纹段(5.1)配合固定；所述第二薄片弹簧(8)和第三薄片弹簧(19)与下平台(21)固定连接，是由第三螺钉(9)依次穿过第二薄片弹簧(8)外圈中第二外周通孔(8.2)、外磁环固定件(12)中第三外周通孔(12.1)、外磁环夹具(13)中第四外周通孔(13.1)、第三薄片弹簧(19)外圈中第五外周通孔(19.2)与下平台(21)上的第三螺纹通孔(21.2)固定连接；第二薄片弹簧(8)的第二中心孔(8.1)套合在中心轴(5)的中段，并由第二螺母(10)和中心轴(5)的中螺纹段(5.2)配合固定；第三薄片弹簧(19)的第三中心孔(19.1)套合在中心轴(5)的下段，并由第三螺母(20)与中心轴(5)的下螺纹段(5.4)及第二凸台(5.3)配合固定。

3.根据权利要求2所述的基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器，其特征是：所述电磁双稳态机构中，外磁环(15)由外磁环夹具(13)和外磁环固定件(12)夹持固定在下平台(21)上，在第二薄片弹簧(8)和第三薄片弹簧(19)之间沿中心轴(5)上依次设置套管(11)、端盖(16)、内磁环(14)和内磁环夹具(17)，并由所述第二螺母(10)紧固在中螺纹段(5.2)和第二凸台(5.3)之间，内磁环(14)由端盖(16)固定在内磁环夹具(17)中，所述电磁线圈(18)设置在内磁环夹具(17)的外周。

4.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器，其特征是：

所述拱形梁弹簧(7)的装配结构为：

所述拱形梁弹簧(7)上端呈水平为上固定边(7.1)，并有上固定边中的第一通孔(7.3)；

所述拱形梁弹簧(7)下端呈水平为下固定边(7.2)；并有下固定边中的第二通孔(7.4)；

所述上平台(1)在底面有适配于上固定边(7.1)的带有第一螺纹通孔(1.1)的水平凹槽；

所述下平台(21)在底面有适配于下固定边(7.2)的带有第二螺纹通孔(21.1)的水平凹槽；

拱形梁弹簧(7)的上固定边(7.1)与上平台(1)中水平凹槽嵌合，并由第一螺钉(2)连接；

拱形梁弹簧(7)的下固定边(7.2)与下平台(21)中水平凹槽嵌合，并由第四螺钉(22)连接。

5.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的弹性-迟滞低频大位移隔振器 ，其特征是：所述内磁环(14)和外磁环(15)均采用沿轴向充磁的钕铁硼材料。

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