[发明专利]一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种隔振器，具体涉及一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法，本发明所涉及的隔振器具有良好的低频隔振特性，在精密仪器隔振领域具有重要的应用价值。

背景技术

精密仪器对使用环境有很高的要求，特别是环境中的振动会严重影响仪器的使用效果。因此，有必要设计隔振器来降低仪器的振动量。对隔振器而言，其所用的弹簧刚度越小，隔振效果越好；但是降低刚度会使隔振器的承载能力下降。故研究人员提出了“准零刚度隔振器”的概念，这种隔振器具有“高静态刚度”、“低动态刚度”特性。高静态刚度保证了隔振器的承载能力，低动态刚度使得隔振器具有较好的隔振效果。

目前已有多种单自由度准零刚度隔振器的设计方案，而对于多自由度，特别是六自由度准零刚度隔振器的研究很少。在仪器的实际使用过程中，总是受到多个方向的扰动；即使扰动是在一个方向上，也会由于耦合作用而引起多个方向的振动。因此，设计六自由度的准零刚度隔振器具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器及其设计方法，能够在六个方向上实现低频隔振。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器，包括固定的外框架1、设置在外框架1内的被隔振箱体2以及分别分布于被隔振箱体2的六个面上连接外框架1和被隔振箱体2的隔振模块3；Oz方向为承载方向，被隔振箱体2顶部和底部的面上的隔振模块3承受被隔振箱体2的重量；所述隔振模块3包括与外框架1固定的框架3.1，与被隔振箱体2固定的连接件3.2，所述框架3.1内部垂向有一垂向压缩弹簧3.3，侧向有四个相同的侧向压缩弹簧，分别为第一侧向压缩弹簧3.4、第二侧向压缩弹簧3.5、第三侧向压缩弹簧3.6和第四侧向压缩弹簧3.7，四个相同的压缩弹簧与框架3.1和连接件3.2之间均通过关节轴承3.8连接，保证压缩弹簧相对框架3.1和连接件3.2均能够自由转动；所述六自由度准零刚度隔振器具有对称性，故三个平动方向具有相同的恢复力特性，三个转动方向具有相同的恢复力矩特性。

上述所述一种压缩弹簧式六自由度准零刚度隔振器的设计方法，

初步设计时，不考虑隔振器的承载，此时六个隔振模块3具有相同的物理参数和几何参数，当考虑承载时，只需要调节被隔振箱体2顶部和底部的面上的隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量；

当所述的六自由度准零刚度隔振器不承载时，假设所述的被隔振箱体2的边长为2a；所述的垂向压缩弹簧3.3的刚度为k₁，压缩后的长度为L₁，压缩量为ΔL₁；所述四个相同的侧向压缩弹簧的刚度为k₂，压缩后的长度为L₂，压缩量为ΔL₂；

要在平动方向和转动方向达到准零刚度特性，只需满足如下两个条件：

K＝2k₁·(1-2·ΔL₁/L₁)+8k₂·(1-2·ΔL₂/L₂)＝0公式(1.1)

K_θ＝-4k₁a·(a+L₁)·ΔL₁/L₁+8k₂a²·(1-ΔL₂/L₂)＝0公式(1.2)

当所述六自由度准零刚度隔振器承载时，假设承载重量为mg，则被隔振箱体2顶部面V上的隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量修改为ΔL₁-ΔL，底部面VI上的隔振模块3的垂向压缩弹簧3.3的压缩量修改为ΔL₁+ΔL，隔振器的其他参数不变；此时，隔振器的准零刚度条件不发生改变；为了平衡承载重量，增加如下关系

ΔL＝mg/(2k₁)公式(1.3)

所述的六自由度准零刚度隔振器，在满足准零刚度的条件下，通过增大比值L₂/L₁来降低恢复刚度、恢复扭转刚度的非线性程度，避免影响隔振性能。

若各参数按如下方式选取

k₂/k₁＝0.25,ΔL₁/L₁＝0,ΔL₂/L₂＝1公式(1.4)