一种非线性刚度悬架及其设计方法

1.本发明涉及减振技术领域，具体涉及可应用于船舶设备减振、座椅减振等，通过不同倾斜角度的槽面或不同的槽面曲线，实现非线性刚度特性的非线性刚度悬架及其设计方法。


背景技术：

2.目前的减振结构大多专注于高频小幅振动的控制，而在低频减振领域，诸如海上船舶的减振，目前的一些结构则存在着许多弊端，使用较多的凸轮滚子结构仅在一定范围内具有良好非线性刚度特性，且当载荷改变时需要对结构进行一定的调节，大行程的非线性刚度实现需要更大的凸轮半径，从而无法有效的将该结构应用于大行程的减振场景中。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种非线性刚度悬架及其设计方法，其结构较为简单，可在较大范围内实现非线性刚度的特性，能够应用于低频大行程的减振场景中，从而解决背景技术中设计的技术问题。
4.本发明的技术方案为：
5.一种非线性刚度悬架，包括下平台、固定座、推杆、水平弹簧、第一滚子、x型杆、上平台、槽型结构、导轨台、固定支座、滑动板支撑、第一销子、第二销子、第二滚子、第三销子、第四销子、螺纹丝杆、把手以及推块，所述下平台与所述上平台上下间隔设置，所述固定座数量为两个且分别安装于所述下平台和所述上平台相互正对的两个表面上且相正对设置；所述x型杆数量为两根，所述x型杆的一端与所述下平台上的所述固定座铰接，另一端安装有所述第一滚子且通过所述第一滚子抵接于所述上平台；另一根所述x型杆的一端与所述上平台上的所述固定座铰接，另一端安装有所述第一滚子且通过所述第一滚子抵接于所述下平台；两根所述x型杆的交叉处通过所述第一销子铰接；所述槽型结构固定于所述x型杆上；所述导轨台安装于所述下平台上，所述导轨台的顶部设有导轨，所述固定支座固设于所述导轨台的顶部，所述螺纹丝杆安装于所述固定支座上且与所述固定支座螺纹连接，所述滑动板支撑安装于所述导轨台的顶部并可沿所述轨道移动，所述把手和所述推块分别安装于所述螺纹丝杆的两端且所述推块抵接于所述滑动板支撑，所述推杆装配于所述滑动板支撑上并可沿所述滑动板支撑移动，所述第二滚子可转动的安装于所述推杆的一端且抵接于所述槽型结构上，所述水平弹簧套设于所述推杆上且一端固设于所述推杆的另一端，另一端固设于所述滑动板支撑。
6.作为本发明的一种优选改进，所述x型杆通过第二销子分别与上、下平台上的固定座铰接。
7.作为本发明的一种优选改进，所述第一滚子通过第三销子分别与两根所述x型杆铰接。
8.作为本发明的一种优选改进，所述第二滚子通过第四销子与所述推杆铰接。
9.作为本发明的一种优选改进，所述固定座为双耳固定座。
10.作为本发明的一种优选改进，所述把手为五角星把手。
11.本发明还提供了一种所述的非线性刚度悬架的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
12.步骤一、假设某时刻安装有槽型结构的x型杆与水平面的倾斜角为θ，并进一步假设槽型结构安装在点a处，则以a处为原点建立t-s坐标系，槽型结构在t-s坐标系中的曲线方程为则与槽型结构的倾斜角度一一对应，第二滚子在槽型结构上的接触点为点m；再在固定座中轴线o处建立y-x坐标系，则槽型结构的曲线方程在两坐标系中的转换关系可由下式(1)到(3)表示：
[0013][0014]
即为：
[0015][0016][0017]
其中，s是t-s坐标系中的横坐标，l是安装点距离x型杆下端的距离；
[0018]
步骤二、设接触点m在t-s坐标系中的坐标为水平弹簧安装高度为h，接触点m在y-x坐标系中的坐标为(xm，h)；令式(3)中y＝h，将代入即可得到sm与θ的关系，记为：
[0019]
sm＝f1(θ)
ꢀꢀ
(4)
[0020]
其中，f1是函数符号，用来表征sm与θ的关系；
[0021]
将式(4)代入式(2)中，即可将接触点m在y-x坐标系中的横坐标xm用θ来表示，记为：
[0022]
xm＝f2(θ)
ꢀꢀ
(5)
[0023]
其中，f2是函数符号，用来表征xm与θ的关系；
[0024]
步骤三、设x型杆初始倾角为θ0，则点m的在y-x系中的初始横坐标可表示为：
[0025][0026]
从而水平弹簧拉伸量的变化量δx可表示为：
[0027][0028]
其中，xm是点m在y-x坐标系中任意时刻的横坐标，是点m在y-x坐标系中初始平衡状态的横坐标；
[0029]
步骤四、设水平弹簧的预拉伸量为δ0，弹性系数为kh，则弹簧弹力fh由下式给出：
[0030]fh
＝kh(δ0 δx)
ꢀꢀ
(8)
[0031]
由式(5)、(6)、(7)、(8)以及给定的初始倾斜角θ0可得弹簧弹力fh与杆倾斜角θ的关系：
[0032]fh
＝f3(θ)
ꢀꢀ
(9)
[0033]
其中，f3是函数符号，用来表征fh与杆倾斜角θ的关系；
[0034]
上平台在竖直方向的位移h可由下式给出：
[0035]
h＝l(sinθ
0-sinθ)
ꢀꢀ
(10)
[0036]
其中，l是x型杆的总长度；
[0037]
对于x型结构、槽型结构、滚轮-推杆结构组成的整体，列虚功方程：
[0038]
δw＝0
ꢀꢀ
(11)
[0039]
其中，δ表示微小量，w是虚位移所产生的总的虚功；
[0040]
即：
[0041]f·
δyg fh·
δxm＝0
ꢀꢀ
(12)
[0042]
以θ为参数写出点g的坐标yg：
[0043]
yg＝lsinθ
ꢀꢀ
(13)
[0044]
其变分为：
[0045]
δyg＝lcosθδθ
ꢀꢀ
(14)
[0046]
点m的坐标xm由式(5)给出，其变分为：
[0047]
δxm＝f2′
(θ)δθ
ꢀꢀ
(15)
[0048]
其中，f2′
是表征xm关于θ的导数的函数符号；
[0049]
将式(15)、式(16)代入式(13)并结合式(9)即可得到荷载f与杆倾斜角θ的关系，即：
[0050]
f＝f5(θ)
ꢀꢀ
(16)
[0051]
其中，f5是函数符号，用来表征f与杆倾斜角θ的关系；
[0052]
由式(10)可得：
[0053][0054]
将式(17)代入式(16)中即可得到荷载力f与竖直方向位移h的关系：
[0055]
f＝f6(h)
ꢀꢀ
(18)
[0056]
其中，f6是函数符号，用来表征f与竖直方向位移h的关系；
[0057]
从而系统刚度可由下式得出：
[0058]
k＝f6′
(h)
ꢀꢀ
(19)
[0059]
其中，f6′
是表征f关于h的导数的函数符号。
[0060]
作为本发明的一种优选改进，所述x型结构由上平台、下平台以及两根x型杆组成。
[0061]
本发明的有益效果如下：
[0062]
1、比起传统的滚筒-凸轮结构，本发明中的滚筒-槽型结构更容易实现较大行程的运动，具有良好的非线性刚度特性，从而能够在较大位移范围内实现非线性刚度；
[0063]
2、槽型结构倾斜角可调，具有更多的适用场合，除此之外，槽的接触面可以为任意曲线形状，以满足不同任务的需要；
[0064]
3、对本发明中所安装的槽进行调整，包括安装角度的调整以及槽形状曲线的调整，能够获得各种不同的刚度特性从而满足多种减振场景，解决各种各样的现实需求，例如：用于船舶等机动设备能够根据实际情况调节从而有效降低设备损坏的风险，用于座椅减振能够适应不同路面激励从而增加座椅舒适度；
[0065]
4、本发明提供的思路并不仅限于实现非线性刚度，可以在安装水平弹簧的结构处放置阻尼器，从而产生非线性阻尼，以实现不同的特性，因此本发明提供的思路既可实现非线性刚度，亦可实现非线性阻尼。
附图说明
[0066]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
[0067]
图1为本发明非线性刚度悬架的立体结构示意图；
[0068]
图2为本发明非线性刚度悬架的主视结构示意图；
[0069]
图3为本发明非线性刚度悬架的结构示意简图。
具体实施方式
[0070]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0072]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0073]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0074]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0075]
请参阅图1和2所示，本发明提供一种非线性刚度悬架，包括下平台1、固定座2、推杆3、水平弹簧4、第一滚子5、x型杆6、上平台7、槽型结构8、导轨台9、固定支座10、滑动板支撑11、第一销子16、第二销子12、第二滚子14、第三销子13、第四销子15、螺纹丝杆17、把手18以及推块19。
[0076]
所述下平台1与所述上平台7上下间隔设置，具体的，相互平行间隔设置。
[0077]
所述固定座2数量为两个且分别安装于所述下平台1和所述上平台7相互正对的两
个表面上且相正对设置。具体的，所述固定座2为双耳固定座。
[0078]
所述x型杆6数量为两根，所述x型杆6的一端与所述下平台1上的所述固定座2铰接，另一端安装有所述第一滚子5且通过所述第一滚子5抵接于所述上平台7；另一根所述x型杆6的一端与所述上平台7上的所述固定座2铰接，另一端安装有所述第一滚子5且通过所述第一滚子5抵接于所述下平台1。需要说明的是，所述x型杆通过第二销子分别与上、下平台上的固定座铰接，所述第一滚子5通过第三销子13分别与两根所述x型杆6铰接。
[0079]
两根所述x型杆6的交叉处通过所述第一销子16铰接，形成x型杆结构，这样，两根所述x型杆6可以相互转动，另外，由于两根所述x型杆6的一端通过第一滚子5分别与下平台1和上平台7接触，可以实现所述x型杆6相对上下平台左右移动。
[0080]
所述槽型结构8固定于所述x型杆6上，具体的，所述槽型结构8的长度方向与该x型杆6呈一定夹角设置，当然，该夹角可以根据需要而调整。
[0081]
所述导轨台9安装于所述下平台1上，所述导轨台9的顶部设有导轨(未标号)。
[0082]
所述固定支座10固设于所述导轨台9的顶部。
[0083]
所述螺纹丝杆17安装于所述固定支座10上且与所述固定支座10螺纹连接，这样，可以通过旋转所述螺纹丝杆17使得所述螺纹丝杆17相对所述固定支座10移动。
[0084]
所述滑动板支撑11安装于所述导轨台9的顶部并可沿所述轨道移动。
[0085]
所述把手18和所述推块19分别安装于所述螺纹丝杆17的两端且所述推块19抵接于所述滑动板支撑11，具体的，所述把手18为五角星把手，方便握持。
[0086]
所述推杆3装配于所述滑动板支撑11上并可沿所述滑动板支撑11移动，所述第二滚子14可转动的安装于所述推杆3的一端且抵接于所述槽型结构8上。具体的，所述第二滚子14通过第四销子15与所述推杆3铰接。所述槽型结构8上设有与所述第二滚子14配合的槽，该槽的剖面可以设计成多种不同的曲线形状，本发明以直线型为例。
[0087]
所述水平弹簧4套设于所述推杆3上且一端固设于所述推杆3的另一端，另一端固设于所述滑动板支撑11。这样，通过所述螺纹丝杆17可以控制滑动板支撑11沿滑轨运动从而调节水平弹簧4的预拉伸量。需要进一步说明的是，该水平弹簧4的位置还可以增设阻尼器，这样，还可以产生非线性阻尼。
[0088]
为了不让滑动板支撑11承受的过大的弯矩，将滑轨安装在一定高度并在滑动板支撑11上额外增加了一个比螺纹丝杆17接触面积更大的推块19，螺纹丝杆17与推块19接触从而推动滑动板支撑11沿导轨移动控制水平弹簧4的预紧力。
[0089]
本发明还提供了一种所述的非线性刚度悬架的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
[0090]
步骤一、再结合图3所示，假设某时刻安装有槽型结构8的x型杆6与水平面的倾斜角为θ，并进一步假设槽型结构8安装在点a处，则以a处为原点建立t-s坐标系，槽型结构8在t-s坐标系中的曲线方程为则与槽型结构8的倾斜角度一一对应，第二滚子14在槽型结构8上的接触点为点m；再在固定座2中轴线o处建立y-x坐标系，则槽型结构8的曲线方程在两坐标系中的转换关系可由下式(1)到(3)表示：
[0091][0092]
即为：
[0093][0094][0095]
其中，s是t-s坐标系中的横坐标，l是安装点距离x型杆下端的距离；
[0096]
步骤二、设接触点m在t-s坐标系中的坐标为水平弹簧安装高度为h，接触点m在y-x坐标系中的坐标为(xm，h)；令式(3)中y＝h，将代入即可得到sm与θ的关系，记为：
[0097]
sm＝f1(θ)
ꢀꢀ
(4)
[0098]
其中，f1是函数符号，用来表征sm与θ的关系；
[0099]
将式(4)代入式(2)中，即可将接触点m在y-x坐标系中的横坐标xm用θ来表示，记为：
[0100]
xm＝f2(θ)
ꢀꢀ
(5)
[0101]
其中，f2是函数符号，用来表征xm与θ的关系；
[0102]
步骤三、设x型杆初始倾角为θ0，则点m的在y-x系中的初始横坐标可表示为：
[0103][0104]
从而水平弹簧拉伸量的变化量δx可表示为：
[0105][0106]
其中，xm是点m在y-x坐标系中任意时刻的横坐标，是点m在y-x坐标系中初始平衡状态的横坐标；
[0107]
步骤四、设水平弹簧的预拉伸量为δ0，弹性系数为kh，则弹簧弹力fh由下式给出：
[0108]fh
＝kh(δ0 δx)
ꢀꢀ
(8)
[0109]
由式(5)、(6)、(7)、(8)以及给定的初始倾斜角θ0可得弹簧弹力fh与杆倾斜角θ的关系：
[0110]fh
＝f3(θ)
ꢀꢀ
(9)
[0111]
其中，f3是函数符号，用来表征fh与杆倾斜角θ的关系；
[0112]
上平台在竖直方向的位移h可由下式给出：
[0113]
h＝l(sinθ
0-sinθ)
ꢀꢀ
(10)
[0114]
其中，l是x型杆的总长度；
[0115]
对于x型结构、槽型结构、滚轮-推杆结构组成的整体，列虚功方程：
[0116]
δw＝0
ꢀꢀ
(11)
[0117]
其中，δ表示微小量，w是虚位移所产生的总的虚功；
[0118]
即：
[0119]f·
δyg fh·
δxm＝0
ꢀꢀ
(12)
[0120]
以θ为参数写出点g的坐标yg：
[0121]
yg＝lsinθ
ꢀꢀ
(13)
[0122]
其变分为：
[0123]
δyg＝lcosθδθ
ꢀꢀ
(14)
[0124]
点m的坐标xm由式(5)给出，其变分为：
[0125]
δxm＝f2′
(θ)δθ
ꢀꢀ
(15)
[0126]
其中，f2′
是表征xm关于θ的导数的函数符号；
[0127]
将式(15)、式(16)代入式(13)并结合式(9)即可得到荷载f与杆倾斜角θ的关系，即：
[0128]
f＝f5(θ)
ꢀꢀ
(16)
[0129]
其中，f5是函数符号，用来表征f与杆倾斜角θ的关系；
[0130]
由式(10)得：
[0131][0132]
将式(17)代入式(16)中即可得到荷载力f与竖直方向位移h的关系：
[0133]
f＝f6(h)
ꢀꢀ
(18)
[0134]
其中，f6是函数符号，用来表征f与竖直方向位移h的关系；
[0135]
从而系统刚度可由下式得出：
[0136]
k＝f6′
(h)
ꢀꢀ
(19)
[0137]
其中，f6′
是表征f关于h的导数的函数符号。
[0138]
需要进一步说明的是，所述x型结构由上平台7、下平台1以及两根x型杆6组成。
[0139]
本发明的有益效果如下：
[0140]
1、比起传统的滚筒-凸轮结构，本发明中的滚筒-槽型结构更容易实现较大行程的运动，具有良好的非线性刚度特性，从而能够在较大位移范围内实现非线性刚度；
[0141]
2、槽型结构倾斜角可调，具有更多的适用场合，除此之外，槽的接触面可以为任意曲线形状，以满足不同任务的需要；
[0142]
3、对本发明中所安装的槽进行调整，包括安装角度的调整以及槽形状曲线的调整，能够获得各种不同的刚度特性从而满足多种减振场景，解决各种各样的现实需求，例如：用于船舶等机动设备能够根据实际情况调节从而有效降低设备损坏的风险，用于座椅减振能够适应不同路面激励从而增加座椅舒适度；
[0143]
4、本发明提供的思路并不仅限于实现非线性刚度，可以在安装水平弹簧的结构处放置阻尼器，从而产生非线性阻尼，以实现不同的特性，因此本发明提供的思路既可实现非线性刚度，亦可实现非线性阻尼。
[0144]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。