一种负刚度可变的曲轴惯容器

1.本发明涉及结构振动控制技术领域，尤其是涉及一种负刚度可变的曲轴惯容器。


背景技术：

2.区别于正刚度装置，负刚度装置是指装置出力与装置位移同相位，即装置出力不是“抵抗”而是“协助”装置两端的运动。利用以上概念，基于负刚度装置的结构控制系统体现了高效的振动控制效果，如负刚度隔振系统相较传统隔振系统的低传递率优势。
3.惯容是一种两端点的加速度相关型控制元件，表现出独特的表观质量放大作用，而负刚度特性是惯容元件的另一重要特征。因此，利用惯容技术可以实现可变负刚度特性。然而，现有常见惯容器(如滚珠丝杠惯容器、齿轮齿条惯容器)的惯容系数为一恒定值，在特定动力激励下的负刚度是恒定的，适用范围受限且适应性低。
4.相比于负刚度恒定的惯容器，负刚度可变的装置能够实现减振对象的自适应控制效果，是一种高性能减振装置，因此需要提出一种负刚度可变的惯容器。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在负刚度恒定的惯容器适用范围受限且适应性低的缺陷而提供一种能够实现对减振对象自适应控制的负刚度可变的惯容器。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种负刚度可变的曲轴惯容器，包括曲轴、飞轮、连杆、平动杆、支撑框架和平动杆固定架；
8.所述曲轴可转动固定在支撑框架上，所述飞轮连接曲轴，所述曲轴连接连杆，所述连杆连接平动杆，所述平动杆固定架固定在支撑框架上，所述平动杆固定架滑动连接平动杆，且支撑平动杆。
9.优选地，所述平动杆固定架包括直线轴承和支撑板，所述支撑板一端固定连接支撑框架，另一端固定连接直线轴承。
10.优选地，所述支撑板包括固定板和加强筋，所述直线轴承固定在固定板上，所述固定板和加强筋垂直固定连接，所述支撑板垂直固定在支撑框架上。
11.优选地，所述加强筋为三角形结构。
12.优选地，所述支撑框架为桶状结构，所述支撑框架的一侧固定有第一连接环，相对的一侧设有连接通孔，所述平动杆的一端穿过连接通孔可转动连接连杆，另一端固定有第二连接环。
13.优选地，所述第一连接环焊接固定在支撑框架上，所述第二连接环焊接固定在平动杆上。
14.优选地，所述支撑框架上设有固定孔，所述曲轴包括主轴和从轴，所述主轴可转动固定在固定孔中，所述从轴可转动连接连杆。
15.优选地，所述主轴通过卡簧可转动固定在支撑框架上的固定孔中。
16.优选地，所述飞轮套设在曲轴的主轴上，所述飞轮通过螺栓固定连接曲轴的主轴。
17.优选地，所述飞轮的数量为多个。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.(1)本方案通过平动杆穿过直线轴承，沿着直线轴承的方向和支撑框架做平动运动，平动杆通过连杆带动曲轴旋转，进而设置在曲轴上的飞轮转动，由于惯容器的平动运动的相对线性加速度与飞轮旋转运动的角加速度之间的转化关系是非线性变化的，所产生的负刚度是可变的，且能够产生质量放大效果。本方案中的惯容器具备宽频高效的减振性能，同时，惯容器负刚度可变的特点，能够实现对减震对象的自适应控制效果。
20.(2)本方案中利用曲轴和平动杆的连接，将装置的平动运动，转换为曲轴带动飞轮的转动，飞轮在转动的过程中变速转动，起到质量放大的效果，惯容器的整体结构简单巧妙，且装置的制造成本低，经济性和实用性高。
附图说明
21.图1为本发明提供的惯容器的结构示意图；
22.图2为本发明提供的曲轴的结构示意图；
23.图3为本发明提供的平动杆与曲轴的连接示意图；
24.图中：1、第一连接环，2、曲轴，3、飞轮，4、连杆，5、平动杆，6、支撑框架，7、支撑板，8、直线轴承，9、第二连接环，71、固定板，72、加强筋。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.实施例1
32.本实施例提供了一种负刚度可变的曲轴惯容器，包括曲轴2、飞轮3、连杆4、平动杆5、支撑框架6和平动杆固定架；
33.曲轴2可转动固定在支撑框架6上，飞轮3连接曲轴2，曲轴2连接连杆4，连杆4连接平动杆5，平动杆固定架固定在支撑框架6上，平动杆固定架滑动连接平动杆5，且支撑平动杆5。
34.工作原理：平动杆5穿过直线轴承8，沿着直线轴承8的方向和支撑框架6做平动运动，平动杆5通过连杆4带动曲轴2旋转，进而设置在曲轴2上的飞轮3转动，由于惯容器的平动运动的相对线性加速度与飞轮旋转运动的角加速度之间的转化关系是非线性变化的，所产生的负刚度是可变的，且能够产生质量放大效果。
35.本方案通过平动杆5穿过直线轴承8，沿着直线轴承8的方向和支撑框架6做平动运动，平动杆5通过连杆4带动曲轴2旋转，进而设置在曲轴2上的飞轮3转动，由于惯容器的平动运动的相对线性加速度与飞轮旋转运动的角加速度之间的转化关系是非线性变化的，所产生的负刚度是可变的，且能够产生质量放大效果。本方案中的惯容器具备宽频高效的减振性能，且结构简单巧妙，制造成本低，实用性高。
36.作为一种优选的实施方式，平动杆固定架包括直线轴承8和支撑板7，支撑板7一端固定连接支撑框架6，另一端固定连接直线轴承8。
37.支撑板7包括固定板71和加强筋72，直线轴承8固定在固定板71上，固定板71和加强筋72垂直固定连接，支撑板7垂直固定在支撑框架6上。加强筋72为三角形结构。
38.支撑框架6为桶状结构，支撑框架6的一侧固定有第一连接环1，相对的一侧设有连接通孔，平动杆5的一端穿过连接通孔可转动连接连杆4，另一端固定有第二连接环9。
39.第一连接环1焊接固定在支撑框架6上，第二连接环9焊接固定在平动杆5上。
40.支撑框架6上设有固定孔，曲轴2包括主轴和从轴，主轴可转动固定在固定孔中，从轴可转动连接连杆4。主轴通过卡簧可转动固定在支撑框架6上的固定孔中。
41.飞轮3套设在曲轴2的主轴上，飞轮3通过螺栓固定连接曲轴2的主轴。飞轮3的数量为多个。
42.本实施例中，曲轴惯容器的运动可叙述为，惯容器的第一连接环1、第二连接环9与平动杆5在同一直线上运动，平动杆5在直线轴承8的约束下往复运动，并带动连杆4摆动，连杆4的运动驱使曲轴2和飞轮3旋转。曲轴惯容器在减振对象中的安装通过第一连接环1和第二连接环9实现。
43.本实施例还提供了一种本方案惯容器的负刚度为可变负刚度的推导过程，具体为：
44.为了便于后续描述，设曲轴惯容器的飞轮半径为r，飞轮的质量为m，曲轴的主轴与连杆轴之间的距离为r，曲轴连杆长度为l，主轴与连杆轴连线和平动杆运动方向的夹角为连杆和平动杆运动方向的夹角为β，令曲轴惯容器左连接环与右连接环的相对位移为x，曲轴主轴与连杆右端点的初始距离等于连杆长度为l。
45.夹角与夹角β的关系可表示为：
[0046][0047]
主轴与连杆右端点的距离xb可表示为：
[0048]
xb＝l-x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
夹角的角速度与角加速度分别表示为：
[0050][0051][0052]
曲轴惯容器飞轮为转动惯量im表示为：
[0053]im
＝mr2/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0054]
根据动力平衡原理，曲轴惯容器的出力f满足下式：
[0055][0056]
将(1)-(5)式代入(6)式并整理，得到：
[0057][0058]
式(6)中，a(x)和b(x)分别为：
[0059][0060][0061]
本实施例中，在简谐荷载x＝xsin(wt)激励下，其中x为激励振幅，w为激励频率，存在关系式将代入式(7)得到曲轴惯容器的惯容系数m
in
为：
[0062][0063]
而且曲轴惯容器的负刚度k
in
表示为：
[0064][0065]
根据式(10)和式(11)可知，曲轴惯容器的负刚度k
in
与相对位移x是非线性相关的，因为相对位移x是变化的，所以负刚度k
in
是变化的，类似的曲轴惯容器的惯容系数m
in
也是变化的。
[0066]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，包括曲轴(2)、飞轮(3)、连杆(4)、平动杆(5)、支撑框架(6)和平动杆固定架；所述曲轴(2)可转动固定在支撑框架(6)上，所述飞轮(3)连接曲轴(2)，所述曲轴(2)连接连杆(4)，所述连杆(4)连接平动杆(5)，所述平动杆固定架固定在支撑框架(6)上，所述平动杆固定架滑动连接平动杆(5)，且支撑平动杆(5)。2.根据权利要求1所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述平动杆固定架包括直线轴承(8)和支撑板(7)，所述支撑板(7)一端固定连接支撑框架(6)，另一端固定连接直线轴承(8)。3.根据权利要求2所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述支撑板(7)包括固定板(71)和加强筋(72)，所述直线轴承(8)固定在固定板(71)上，所述固定板(71)和加强筋(72)垂直固定连接，所述支撑板(7)垂直固定在支撑框架(6)上。4.根据权利要求3所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述加强筋(72)为三角形结构。5.根据权利要求1所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述支撑框架(6)为桶状结构，所述支撑框架(6)的一侧固定有第一连接环(1)，相对的一侧设有连接通孔，所述平动杆(5)的一端穿过连接通孔可转动连接连杆(4)，另一端固定有第二连接环(9)。6.根据权利要求5所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述第一连接环(1)焊接固定在支撑框架(6)上，所述第二连接环(9)焊接固定在平动杆(5)上。7.根据权利要求1所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述支撑框架(6)上设有固定孔，所述曲轴(2)包括主轴和从轴，所述主轴可转动固定在固定孔中，所述从轴可转动连接连杆(4)。8.根据权利要求7所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述主轴通过卡簧可转动固定在支撑框架(6)上的固定孔中。9.根据权利要求7所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述飞轮(3)套设在曲轴(2)的主轴上，所述飞轮(3)通过螺栓固定连接曲轴(2)的主轴。10.根据权利要求1所述的一种负刚度可变的曲轴惯容器，其特征在于，所述飞轮(3)的数量为多个。

技术总结
本发明涉及一种负刚度可变的曲轴惯容器，包括曲轴、飞轮、连杆、平动杆、支撑框架和平动杆固定架；所述曲轴可转动固定在支撑框架上，所述飞轮连接曲轴，所述曲轴连接连杆，所述连杆连接平动杆，所述平动杆固定架固定在支撑框架上，所述平动杆固定架滑动连接平动杆，且支撑平动杆。与现有技术相比，本发明具有高性能、成本低等优点。成本低等优点。成本低等优点。


技术研发人员：张瑞甫 张力
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/1