一种基于低密度金属橡胶的高阻尼准零刚度隔振器
1.本发明涉及属于低频大振幅减振技术领域，特别是一种基于低密度金属橡胶的高阻尼准零刚度隔振器。
背景技术：
2.机械的振动是指机械系统在振源的激励下在某一平衡位置往复的运动。在一些的特定的情况下机械振动是有利的，但在绝大多数情况下振动是有害的，如振动会产生动载从而导致零件的疲劳，船舶推进轴系产生的低频振动不仅会影响其静谧性还会导致船员的身体器官发生共振从而影响船员的身心健康，机床的振动会影响工件的加工精度，精密仪器的振动会大大降低其精度
…
，因此对机械系统采取行之有效的减振措施是非常必要的。根据经典隔振理论，采用被动的隔振方法对振动进行隔离，能有效的降低频率大于系统固有频率倍的振动，而在参振质量一定的情况下，系统的固有频率取决于系统的刚度，刚度越大系统的固有频率也就越大，因此线性的隔振系统存在隔离的频率越低则可以承载的静载荷也就越小的固有矛盾。因此如何行之有效的减少低频振动对系统的影响一直都是工程上的一大难题。
3.低密度金属橡胶是一种由金属丝经过绕制，冲压，后处理等一系列工序制作而成的高阻尼减振材料，其中密度是指内部孔隙占比实心材料的比例，当密度在50%左右即为低密度。通过内部相互交错勾连蓬松的金属丝形成类似橡胶高分子的空间网状结构，具有不惧怕腐蚀环境，耐高、低温，且疲劳老化寿命长等优点，同时由于密度低具有很好的弹性阻尼作用，与准零刚度结构并联，对于低频信号可以起到很好地衰减作用。
技术实现要素：
4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于低密度金属橡胶的高阻尼准零刚度隔振器，能够隔离低频大振幅的振动，同时改变了阻尼力的传播方向，消除了阻尼力隔振效果的负面影响。
5.本发明采用以下方案实现：一种基于低密度金属橡胶的高阻尼准零刚度隔振器，包括底座和盖在底座上的外壳，所述外壳顶部沿竖向穿设有伸入外壳中的传力轴，传力轴外围设有竖向弹簧，所述传力轴下端设有球体；所述外壳内部设有若干沿圆周均布的负刚度组件，所述负刚度组件包括一支座，所述支座上设有开口朝下外壳中心的腔体，腔体内设有向外壳中心延伸的连杆，所述连杆朝下外壳中心一端连接有位于球体斜下方并与球体相抵接的滚子，所述腔体内设有朝外顶推连杆的负刚度弹簧和低密度金属橡胶。
6.进一步的，所述传力轴上端外螺纹部并通过锁紧螺母连接有弹簧挡盖，所述竖向弹簧位于弹簧挡盖和外壳顶部之间。
7.进一步的，所述金属橡胶为环状柱体，所述负刚度弹簧外套在金属橡胶外围，金属橡胶内部形成水平导向孔，连杆位于腔体内一端伸入金属橡胶的水平导向孔中并且连杆上设有与水平导向孔滑动配合的定位凸起。
8.进一步的，所述腔体内底面设有朝外凸起的凸环，所述金属橡胶套设在凸环上。
9.进一步的，所述腔体开口处设有通过第一螺栓连接有导向端盖，所述导向端盖中心开设有与连杆滑动配合的导孔，导孔内壁设有第一密封圈；所述连杆位于腔体内部位设有挡板，所述金属橡胶和负刚度弹簧夹于挡板和腔体内底面之间。
10.进一步的，所述外壳顶部用以穿设传力轴的通孔内壁设有第二密封圈；负刚度组件的支座通过第二螺栓连接于底座上，外壳下部外围设有法兰，法兰和底座通过第三螺栓连接。
11.进一步的，所述负刚度组件数量为四个，四个负刚度组件所在的圆周圆心和传力轴的轴心线重合。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明巧妙地采用滚子和传力轴的轴端球体，设计了一种可以形成具有负刚度功能的几何形面关系的机构，该负刚度机构具有较大的位移行程量，通过传力轴与隔振器顶端正刚度弹簧并联，使得隔振器在额定载荷作用下具有准零刚度特性能有效隔离低频振动。此外，准零刚度隔振器的研究表明，当外部激振幅值较大时，准零刚度隔振器可能会出现幅值跳跃的现象，从而导致其失去隔离低频振动的能力，而在隔振器中引入适当的阻尼可以有效避免该现象的发生，因此本发明在负刚度机构中使用低密度金属橡胶与螺旋弹簧并联以此提供一个较大的阻尼，使得隔振器能够有效遏制低频大振幅的振动。
13.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
14.图1是本发明实施例整体立体图；图2是本发明实施例剖视图；图3是本发明实施例中负刚度组件剖视图；图4是本发明实施例初始状态下的隔振器原理图；图5是本发明实施例准零刚度状态下的隔振器原理图；图6是本发明实施例工作状态下的隔振器原理图；图7是本发明实施例隔振器回复力与位移曲线图；图中标号说明：1-弹簧挡板，2-竖直弹簧，3-球体、4-负刚度组件，5-底座，6-锁紧螺母，4-传力轴7，8-第二密封圈，9-外壳9，10-第二螺栓，11-第三螺栓，12-支座，13-负刚度弹簧，14-低密度金属橡胶，15-水平导向孔，16-定位凸起，17-第一螺栓，18-导向端盖，19-第一密封圈，20-连杆，21-销，22-滚子。
具体实施方式
15.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
16.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
17.如图1~3所示，一种基于低密度金属橡胶的高阻尼准零刚度隔振器，包括底座5和盖在底座上的外壳9，所述外壳9顶部沿竖向穿设有伸入外壳中的传力轴7，传力轴7外围设有竖向弹簧2，竖向弹簧2用于提供正刚度回复力，所述传力轴7下端设有球体3；所述外壳内部设有若干沿圆周均布的负刚度组件4，若干负刚度组件所在的圆周圆心和传力轴的轴心线重合，所述负刚度组件包括一支座12，所述支座12上设有开口朝下外壳中心的腔体，腔体内设有向外壳中心延伸的连杆20，所述连杆20朝下外壳中心一端连接有位于球体斜下方并与球体相抵接的滚子22，滚子通过销21转动安装于连杆上，在隔振器工作时滚子22绕销21的滚动可以使滚子22与球体3之间滑动摩擦变为滚动摩擦，这样可以降低静摩擦力对隔振器的影响防止球体3被卡在两滚子22之间；为保证滚子22的运动，滚子22与销21的配合采用间隙配合，销21与连杆20的配合采用过盈配合。所述腔体内设有朝外顶推连杆的负刚度弹簧13和低密度金属橡胶14，负刚度弹簧13用于提供负刚度回复力，用于给隔振器提供阻尼，低密度金属橡胶是由金属丝经过特殊的绕制而成，滚子22和球体3配合用于改变负刚度弹簧13产生的弹力方向；低密度金属橡胶和负刚度弹簧13并联，当隔振器收到外部激励时，负刚度弹簧13提供负刚度组件的回复力，低密度金属橡胶14提供阻尼力，将阻尼元件布置在隔振器负刚度组件中使得阻尼力沿水平方向传递在竖直方向上不会对底座5产生力的作用，因此消除了阻尼力对隔振效果的影响。
18.本发明采用了刚度非线性的方法设计了一种被动隔振器使系统达到一种所谓的“准零刚度状态”，在此工作状态下系统具有高静刚度，低动刚度从而能有效的隔离低频振动。采用这种非线性的方法当振源振动幅值超过某一临界值时，系统的幅频响应将出现幅值跳跃的现象，该现象的产生不仅会使系统在低频共振区的响应幅值显著变大，还会增大隔振器的起始隔振频率。而在系统中引入适当的阻尼可以有效的避免该现象的产生，本发明基于负刚度滚子和传力轴端球体的几何形面关系设计了一种负刚度结构，将该负刚度结构与顶部正刚度螺旋弹簧并联得到了一种在额定载荷下具有准零刚度特性的隔振器，同时在负刚度机构中将低密度的金属橡胶与螺旋弹簧并联以此提供一个较大的阻尼，使得隔振器能有效遏制低频振动的同时避免了激振幅值较大引起的幅值跳跃现象。
19.在本实施例中，所述传力轴7上端外螺纹部并通过锁紧螺母6连接有弹簧挡盖1，所述竖向弹簧位于弹簧挡盖1和外壳9顶部之间。
20.在本实施例中，所述金属橡胶14为环状柱体，所述负刚度弹簧13外套在金属橡胶14外围，金属橡胶内部形成水平导向孔15，连杆位于腔体内一端伸入金属橡胶的水平导向孔中并且连杆上设有与水平导向孔滑动配合的定位凸起16。
21.在本实施例中，所述腔体内底面设有朝外凸起的凸环，所述金属橡胶套设在凸环上。
22.在本实施例中，所述腔体开口处设有通过第一螺栓17连接有导向端盖18，所述导向端盖中心开设有与连杆滑动配合的导孔，导孔内壁设有第一密封圈19；所述连杆位于腔体内部位设有挡板，所述金属橡胶和负刚度弹簧夹于挡板和腔体内底面之间。
23.在本实施例中，所述外壳顶部用以穿设传力轴的通孔内壁设有第二密封圈8，传力轴7与外壳顶部通孔采用间隙配合，使用第二密封圈8进行密封；负刚度组件的支座通过第
二螺栓10连接于底座上，外壳下部外围设有法兰，法兰和底座通过第三螺栓11连接。
24.在本实施例中，所述负刚度组件数量为四个，四个负刚度组件所在的圆周圆心和传力轴的轴心线重合。
25.为清楚表达隔振器原理，在附图4，5，6中使用两侧的圆表示负刚度元件中的滚子22，使用中间圆表示轴端小球3。当隔振器不受任何力作用时处于如附图4所示的初始状态，此时水平弹簧13，竖直弹簧2均处于初始状态。其中设计参数：滚子22的半径，轴端小球3的半径,轴端小球3的球心距离两滚子22的圆心连线的距离,滚子22的圆心距离竖直中轴线的距离可根据实际承受的静载，振动幅值的大小进行设计。
26.当隔振器在设计额定承载的作用下轴7往下运动使竖直弹簧2处于压缩状态，两滚子22在轴端小球3的挤压作用下产生一个径向的运动使得水平弹簧处于压缩状态，当轴端小球3的球心与两滚子22的圆心在同一直线上时，隔振器处于如附图4所示的准零刚度状态。值得注意的是在附图5，6中所标注的各作用力只是反应了力的方向并未真实反映其作用点。
27.处于准零刚度状态下的隔振器在受到外部激励作用时变为如附图6所示的工作状态，此时轴端小球3做往复的机械振动，其平衡位置为两滚子圆心连线。在这整个过程中水平弹簧13产生的作用力始终沿水平方向，由于两滚子22与轴端小球3之间的形面关系，使得水平弹簧13产生的力沿滚子22传递给轴端小球3时会产生竖直分量来抵消竖直竖直弹簧2产生的力，因此降低了隔振器在竖直方向的刚度。当通过合理的参数选择使得该竖直分量与竖直弹簧2产生的力刚好相等时，隔振器在平衡位置处于准零刚度状态。
28.以下分析建立在两点假设的前提下：
①
各运动副润滑，接触良好忽略摩擦对隔振器的影响。
29.②
滚子与轴端小球有较大的刚度忽略其微小变形对分析的影响。
30.当隔振器处于如附图4所示的初始状态时，假设轴端小球的半径为：,两滚子半径为：，轴端小球球心与水平线的距离为：,滚子圆心与竖直中线的距离为：，则有几何约束：
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(1)当隔振器处于如附图6所示的工作状态时，假设隔振器在激励力的作用下轴端小球偏离平衡位置的位移为：,轴端小球球心与滚子圆心连线偏离水平线的夹角为：，则有几何约束：
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(2)
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(3)
在工作状态时，轴所受的静力可表示为：
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（4）其中：表示正刚度装置对轴端小球的作用，也就是竖直弹簧产生的力，表示负刚度装置对轴端小球的力，也就是两滚子对轴端小球的力。
31.设竖直弹簧刚度为：,水平弹簧和金属橡胶的刚度为： 则有如下关系：对于额定载荷有：
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(5)对于正刚度弹簧产生的力有：
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(6)水平弹簧运动的位移：
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(7)水平弹簧中的力：
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(8)由图中受力关系可得到，负刚度机构对轴产生的竖直方向的力可表示为：
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（9）将式（3），（8）带入式（9）中可得：
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（10）将式（5），（6），（10）带入式（4）中可得悬架回复力关于位移的表达式可表示为：
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(11)对悬架回复力关于位移的表达式求导可以得到悬架刚度关于位移的表达式：
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(12)根据准零刚度隔振器特性，当时有悬架刚度k=0即：
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（13）将上式带入式（13）带入式（12）中可以得到如下关系：
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(14)隔振器响应行程分析：当隔振器在激励作用下响应幅值满足如下关系时：（15）隔振器为准零刚度状态满足以上分析。当响应幅值时，轴端小球脱离滚子约束隔振器变为刚度为的线性隔振器。
32.实例分析
在实际工程应用中可根据隔振器需要承受的额定载荷以及振动大小设计出具体参数，假设隔振器承受的额定质量为：,则额定载荷,隔振器响应幅值x小于5cm,即,滚子半径与轴端小球半径均为5cm,即。
33.将带入式(4)可得初始状态下滚子圆心与中轴线的距离为：将与带入式(5)可得竖直弹簧刚度：将带入式（14）可得水平弹簧刚度：将以上参数带入式（12）可得出如附图7所示回复力与位移关系.本发明的突出优点有以下两点：
①
利用滚子与轴端小球之间的形面关系设计出了一种准零刚度隔振器使之能有效的对低频振动进行隔离。
②
在负刚度组件中采用了低密度高阻尼的金属橡胶作为减振器的阻尼元件，有效降低了隔振器在低频共振区的幅值响应，同时改变了阻尼力的传递方向，消除了阻尼力对隔振效果的负面影响。本发明主要应用于一些对低频振动较为敏感的领域如：各种精密仪器的减振，船舶舰艇的减振，航空航天领域中的减振等。
34.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
35.本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
36.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
37.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
38.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
