一種基于低密度金屬橡膠的高阻尼準零剛度隔振器
1.本發明涉及屬于低頻大振幅減振技術領域，特別是一種基于低密度金屬橡膠的高阻尼準零剛度隔振器。
背景技術：
2.機械的振動是指機械系統在振源的激勵下在某一平衡位置往復的運動。在一些的特定的情況下機械振動是有利的，但在絕大多數情況下振動是有害的，如振動會產生動載從而導致零件的疲勞，船舶推進軸系產生的低頻振動不僅會影響其靜謐性還會導致船員的身體器官發生共振從而影響船員的身心健康，機床的振動會影響工件的加工精度，精密儀器的振動會大大降低其精度
…
，因此對機械系統采取行之有效的減振措施是非常必要的。根據經典隔振理論，采用被動的隔振方法對振動進行隔離，能有效的降低頻率大于系統固有頻率倍的振動，而在參振質量一定的情況下，系統的固有頻率取決于系統的剛度，剛度越大系統的固有頻率也就越大，因此線性的隔振系統存在隔離的頻率越低則可以承載的靜載荷也就越小的固有矛盾。因此如何行之有效的減少低頻振動對系統的影響一直都是工程上的一大難題。
3.低密度金屬橡膠是一種由金屬絲經過繞制，沖壓，后處理等一系列工序制作而成的高阻尼減振材料，其中密度是指內部孔隙占比實心材料的比例，當密度在50%左右即為低密度。通過內部相互交錯勾連蓬松的金屬絲形成類似橡膠高分子的空間網狀結構，具有不懼怕腐蝕環境，耐高、低溫，且疲勞老化壽命長等優點，同時由于密度低具有很好的彈性阻尼作用，與準零剛度結構并聯，對于低頻信號可以起到很好地衰減作用。
技術實現要素：
4.有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于低密度金屬橡膠的高阻尼準零剛度隔振器，能夠隔離低頻大振幅的振動，同時改變了阻尼力的傳播方向，消除了阻尼力隔振效果的負面影響。
5.本發明采用以下方案實現：一種基于低密度金屬橡膠的高阻尼準零剛度隔振器，包括底座和蓋在底座上的外殼，所述外殼頂部沿豎向穿設有伸入外殼中的傳力軸，傳力軸外圍設有豎向彈簧，所述傳力軸下端設有球體；所述外殼內部設有若干沿圓周均布的負剛度組件，所述負剛度組件包括一支座，所述支座上設有開口朝下外殼中心的腔體，腔體內設有向外殼中心延伸的連桿，所述連桿朝下外殼中心一端連接有位于球體斜下方并與球體相抵接的滾子，所述腔體內設有朝外頂推連桿的負剛度彈簧和低密度金屬橡膠。
6.進一步的，所述傳力軸上端外螺紋部并通過鎖緊螺母連接有彈簧擋蓋，所述豎向彈簧位于彈簧擋蓋和外殼頂部之間。
7.進一步的，所述金屬橡膠為環狀柱體，所述負剛度彈簧外套在金屬橡膠外圍，金屬橡膠內部形成水平導向孔，連桿位于腔體內一端伸入金屬橡膠的水平導向孔中并且連桿上設有與水平導向孔滑動配合的定位凸起。
8.進一步的，所述腔體內底面設有朝外凸起的凸環，所述金屬橡膠套設在凸環上。
9.進一步的，所述腔體開口處設有通過第一螺栓連接有導向端蓋，所述導向端蓋中心開設有與連桿滑動配合的導孔，導孔內壁設有第一密封圈；所述連桿位于腔體內部位設有擋板，所述金屬橡膠和負剛度彈簧夾于擋板和腔體內底面之間。
10.進一步的，所述外殼頂部用以穿設傳力軸的通孔內壁設有第二密封圈；負剛度組件的支座通過第二螺栓連接于底座上，外殼下部外圍設有法蘭，法蘭和底座通過第三螺栓連接。
11.進一步的，所述負剛度組件數量為四個，四個負剛度組件所在的圓周圓心和傳力軸的軸心線重合。
12.與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明巧妙地采用滾子和傳力軸的軸端球體，設計了一種可以形成具有負剛度功能的幾何形面關系的機構，該負剛度機構具有較大的位移行程量，通過傳力軸與隔振器頂端正剛度彈簧并聯，使得隔振器在額定載荷作用下具有準零剛度特性能有效隔離低頻振動。此外，準零剛度隔振器的研究表明，當外部激振幅值較大時，準零剛度隔振器可能會出現幅值跳躍的現象，從而導致其失去隔離低頻振動的能力，而在隔振器中引入適當的阻尼可以有效避免該現象的發生，因此本發明在負剛度機構中使用低密度金屬橡膠與螺旋彈簧并聯以此提供一個較大的阻尼，使得隔振器能夠有效遏制低頻大振幅的振動。
13.為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下將通過具體實施例和相關附圖，對本發明作進一步詳細說明。
附圖說明
14.圖1是本發明實施例整體立體圖；圖2是本發明實施例剖視圖；圖3是本發明實施例中負剛度組件剖視圖；圖4是本發明實施例初始狀態下的隔振器原理圖；圖5是本發明實施例準零剛度狀態下的隔振器原理圖；圖6是本發明實施例工作狀態下的隔振器原理圖；圖7是本發明實施例隔振器回復力與位移曲線圖；圖中標號說明：1-彈簧擋板，2-豎直彈簧，3-球體、4-負剛度組件，5-底座，6-鎖緊螺母，4-傳力軸7，8-第二密封圈，9-外殼9，10-第二螺栓，11-第三螺栓，12-支座，13-負剛度彈簧，14-低密度金屬橡膠，15-水平導向孔，16-定位凸起，17-第一螺栓，18-導向端蓋，19-第一密封圈，20-連桿，21-銷，22-滾子。
具體實施方式
15.應該指出，以下詳細說明都是示例性的，旨在對本技術提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本技術所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
16.需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本技術的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式
也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
17.如圖1~3所示，一種基于低密度金屬橡膠的高阻尼準零剛度隔振器，包括底座5和蓋在底座上的外殼9，所述外殼9頂部沿豎向穿設有伸入外殼中的傳力軸7，傳力軸7外圍設有豎向彈簧2，豎向彈簧2用于提供正剛度回復力，所述傳力軸7下端設有球體3；所述外殼內部設有若干沿圓周均布的負剛度組件4，若干負剛度組件所在的圓周圓心和傳力軸的軸心線重合，所述負剛度組件包括一支座12，所述支座12上設有開口朝下外殼中心的腔體，腔體內設有向外殼中心延伸的連桿20，所述連桿20朝下外殼中心一端連接有位于球體斜下方并與球體相抵接的滾子22，滾子通過銷21轉動安裝于連桿上，在隔振器工作時滾子22繞銷21的滾動可以使滾子22與球體3之間滑動摩擦變為滾動摩擦，這樣可以降低靜摩擦力對隔振器的影響防止球體3被卡在兩滾子22之間；為保證滾子22的運動，滾子22與銷21的配合采用間隙配合，銷21與連桿20的配合采用過盈配合。所述腔體內設有朝外頂推連桿的負剛度彈簧13和低密度金屬橡膠14，負剛度彈簧13用于提供負剛度回復力，用于給隔振器提供阻尼，低密度金屬橡膠是由金屬絲經過特殊的繞制而成，滾子22和球體3配合用于改變負剛度彈簧13產生的彈力方向；低密度金屬橡膠和負剛度彈簧13并聯，當隔振器收到外部激勵時，負剛度彈簧13提供負剛度組件的回復力，低密度金屬橡膠14提供阻尼力，將阻尼元件布置在隔振器負剛度組件中使得阻尼力沿水平方向傳遞在豎直方向上不會對底座5產生力的作用，因此消除了阻尼力對隔振效果的影響。
18.本發明采用了剛度非線性的方法設計了一種被動隔振器使系統達到一種所謂的“準零剛度狀態”，在此工作狀態下系統具有高靜剛度，低動剛度從而能有效的隔離低頻振動。采用這種非線性的方法當振源振動幅值超過某一臨界值時，系統的幅頻響應將出現幅值跳躍的現象，該現象的產生不僅會使系統在低頻共振區的響應幅值顯著變大，還會增大隔振器的起始隔振頻率。而在系統中引入適當的阻尼可以有效的避免該現象的產生，本發明基于負剛度滾子和傳力軸端球體的幾何形面關系設計了一種負剛度結構，將該負剛度結構與頂部正剛度螺旋彈簧并聯得到了一種在額定載荷下具有準零剛度特性的隔振器，同時在負剛度機構中將低密度的金屬橡膠與螺旋彈簧并聯以此提供一個較大的阻尼，使得隔振器能有效遏制低頻振動的同時避免了激振幅值較大引起的幅值跳躍現象。
19.在本實施例中，所述傳力軸7上端外螺紋部并通過鎖緊螺母6連接有彈簧擋蓋1，所述豎向彈簧位于彈簧擋蓋1和外殼9頂部之間。
20.在本實施例中，所述金屬橡膠14為環狀柱體，所述負剛度彈簧13外套在金屬橡膠14外圍，金屬橡膠內部形成水平導向孔15，連桿位于腔體內一端伸入金屬橡膠的水平導向孔中并且連桿上設有與水平導向孔滑動配合的定位凸起16。
21.在本實施例中，所述腔體內底面設有朝外凸起的凸環，所述金屬橡膠套設在凸環上。
22.在本實施例中，所述腔體開口處設有通過第一螺栓17連接有導向端蓋18，所述導向端蓋中心開設有與連桿滑動配合的導孔，導孔內壁設有第一密封圈19；所述連桿位于腔體內部位設有擋板，所述金屬橡膠和負剛度彈簧夾于擋板和腔體內底面之間。
23.在本實施例中，所述外殼頂部用以穿設傳力軸的通孔內壁設有第二密封圈8，傳力軸7與外殼頂部通孔采用間隙配合，使用第二密封圈8進行密封；負剛度組件的支座通過第
二螺栓10連接于底座上，外殼下部外圍設有法蘭，法蘭和底座通過第三螺栓11連接。
24.在本實施例中，所述負剛度組件數量為四個，四個負剛度組件所在的圓周圓心和傳力軸的軸心線重合。
25.為清楚表達隔振器原理，在附圖4，5，6中使用兩側的圓表示負剛度元件中的滾子22，使用中間圓表示軸端小球3。當隔振器不受任何力作用時處于如附圖4所示的初始狀態，此時水平彈簧13，豎直彈簧2均處于初始狀態。其中設計參數：滾子22的半徑，軸端小球3的半徑,軸端小球3的球心距離兩滾子22的圓心連線的距離,滾子22的圓心距離豎直中軸線的距離可根據實際承受的靜載，振動幅值的大小進行設計。
26.當隔振器在設計額定承載的作用下軸7往下運動使豎直彈簧2處于壓縮狀態，兩滾子22在軸端小球3的擠壓作用下產生一個徑向的運動使得水平彈簧處于壓縮狀態，當軸端小球3的球心與兩滾子22的圓心在同一直線上時，隔振器處于如附圖4所示的準零剛度狀態。值得注意的是在附圖5，6中所標注的各作用力只是反應了力的方向并未真實反映其作用點。
27.處于準零剛度狀態下的隔振器在受到外部激勵作用時變為如附圖6所示的工作狀態，此時軸端小球3做往復的機械振動，其平衡位置為兩滾子圓心連線。在這整個過程中水平彈簧13產生的作用力始終沿水平方向，由于兩滾子22與軸端小球3之間的形面關系，使得水平彈簧13產生的力沿滾子22傳遞給軸端小球3時會產生豎直分量來抵消豎直豎直彈簧2產生的力，因此降低了隔振器在豎直方向的剛度。當通過合理的參數選擇使得該豎直分量與豎直彈簧2產生的力剛好相等時，隔振器在平衡位置處于準零剛度狀態。
28.以下分析建立在兩點假設的前提下：
①
各運動副潤滑，接觸良好忽略摩擦對隔振器的影響。
29.②
滾子與軸端小球有較大的剛度忽略其微小變形對分析的影響。
30.當隔振器處于如附圖4所示的初始狀態時，假設軸端小球的半徑為：,兩滾子半徑為：，軸端小球球心與水平線的距離為：,滾子圓心與豎直中線的距離為：，則有幾何約束：
??????????????
(1)當隔振器處于如附圖6所示的工作狀態時，假設隔振器在激勵力的作用下軸端小球偏離平衡位置的位移為：,軸端小球球心與滾子圓心連線偏離水平線的夾角為：，則有幾何約束：
??????????????????????????
(2)
?????????????????
(3)
在工作狀態時，軸所受的靜力可表示為：
??????????????????
（4）其中：表示正剛度裝置對軸端小球的作用，也就是豎直彈簧產生的力，表示負剛度裝置對軸端小球的力，也就是兩滾子對軸端小球的力。
31.設豎直彈簧剛度為：,水平彈簧和金屬橡膠的剛度為： 則有如下關系：對于額定載荷有：
???????????????????
(5)對于正剛度彈簧產生的力有：
??????
(6)水平彈簧運動的位移：
???????
(7)水平彈簧中的力：
???
(8)由圖中受力關系可得到，負剛度機構對軸產生的豎直方向的力可表示為：
??????????????????????????????
（9）將式（3），（8）帶入式（9）中可得：
????????????????
（10）將式（5），（6），（10）帶入式（4）中可得懸架回復力關于位移的表達式可表示為：
?????????
(11)對懸架回復力關于位移的表達式求導可以得到懸架剛度關于位移的表達式：
????????????????
(12)根據準零剛度隔振器特性，當時有懸架剛度k=0即：
???????????????????????????????????????
（13）將上式帶入式（13）帶入式（12）中可以得到如下關系：
?????????????????????????????
(14)隔振器響應行程分析：當隔振器在激勵作用下響應幅值滿足如下關系時：（15）隔振器為準零剛度狀態滿足以上分析。當響應幅值時，軸端小球脫離滾子約束隔振器變為剛度為的線性隔振器。
32.實例分析
在實際工程應用中可根據隔振器需要承受的額定載荷以及振動大小設計出具體參數，假設隔振器承受的額定質量為：,則額定載荷,隔振器響應幅值x小于5cm,即,滾子半徑與軸端小球半徑均為5cm,即。
33.將帶入式(4)可得初始狀態下滾子圓心與中軸線的距離為：將與帶入式(5)可得豎直彈簧剛度：將帶入式（14）可得水平彈簧剛度：將以上參數帶入式（12）可得出如附圖7所示回復力與位移關系.本發明的突出優點有以下兩點：
①
利用滾子與軸端小球之間的形面關系設計出了一種準零剛度隔振器使之能有效的對低頻振動進行隔離。
②
在負剛度組件中采用了低密度高阻尼的金屬橡膠作為減振器的阻尼元件，有效降低了隔振器在低頻共振區的幅值響應，同時改變了阻尼力的傳遞方向，消除了阻尼力對隔振效果的負面影響。本發明主要應用于一些對低頻振動較為敏感的領域如：各種精密儀器的減振，船舶艦艇的減振，航空航天領域中的減振等。
34.上述本發明所公開的任一技術方案除另有聲明外，如果其公開了數值范圍，那么公開的數值范圍均為優選的數值范圍，任何本領域的技術人員應該理解：優選的數值范圍僅僅是諸多可實施的數值中技術效果比較明顯或具有代表性的數值。由于數值較多，無法窮舉，所以本發明才公開部分數值以舉例說明本發明的技術方案，并且，上述列舉的數值不應構成對本發明創造保護范圍的限制。
35.本發明如果公開或涉及了互相固定連接的零部件或結構件，那么，除另有聲明外，固定連接可以理解為：能夠拆卸地固定連接( 例如使用螺栓或螺釘連接)，也可以理解為：不可拆卸的固定連接(例如鉚接、焊接)，當然，互相固定連接也可以為一體式結構( 例如使用鑄造工藝一體成形制造出來) 所取代(明顯無法采用一體成形工藝除外)。
36.另外，上述本發明公開的任一技術方案中所應用的用于表示位置關系或形狀的術語除另有聲明外其含義包括與其近似、類似或接近的狀態或形狀。
37.本發明提供的任一部件既可以是由多個單獨的組成部分組裝而成，也可以為一體成形工藝制造出來的單獨部件。
38.以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容,依據本發明的技術實質對以上實施例所
作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
