正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型及基于该模型的全拉簧零刚度弹簧机构

本发明涉及零刚度弹簧系统的，尤其涉及一种正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型及基于该模型的全拉簧零刚度弹簧机构。

背景技术：

1、零刚度弹簧系统可以在一定位移范围内保持刚度很小的稳定平衡状态，在航空航天领域的失重模拟方面有重要应用，同时零刚度弹簧系统具有优良的低频减振特性，在高质量隔振等方面也具有广泛应用前景。宇航空间中的微低重力环境使得所处其中的航天器和宇航员表现出与在地面重力环境下不同的受力状态和动态性能，因此需要在地面对这种微低重力环境进行模拟。悬吊法因为模拟时间长、模拟范围大、不引入附加惯量的优势被广泛采用。零刚度弹簧系统在失重模拟、大载荷恒力输出和低频隔振等方面有重要应用。目前通常采用的三角形零刚度弹簧系统，存在零刚度特性差、弹簧与导杆之间的摩擦力大、刚度调节困难等缺陷，实际应用效果不够理想。

技术实现思路

1、针对上述产生的目前通常采用的三角形零刚度弹簧系统，存在零刚度特性差、弹簧与导杆之间的摩擦力大、刚度调节困难等问题，本发明的目的在于提供一种全拉簧零刚度弹簧机构。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型，其中，包括：竖向弹簧、横向弹簧、侧向弹簧、滑块、摆杆、振动块和轴承座，竖向弹簧竖直设置，竖向弹簧的上端固定连接，竖向弹簧的下端和振动块连接，振动块可沿竖直方向位移；两个横向弹簧均水平设置且对称设置在竖向弹簧的左、右两侧，每一个横向弹簧靠近竖向弹簧的一端固定连接，每一个横向弹簧远离竖向弹簧的一端和一个滑块连接，两个滑块可沿水平方向位移；两个摆杆对称设置在竖向弹簧的左、右两侧，每一个摆杆的一端和一个滑块铰接，每一个摆杆的另一端和振动块铰接；两个侧向弹簧对称设置在竖向弹簧的左、右两侧，每一个侧向弹簧的一端和一个轴承座铰接，每一个侧向弹簧的另一端和振动块铰接；两个轴承座和两个滑块位于同一水平面；

4、零刚度弹簧系统竖向刚度：

5、

6、其中，fs为竖向弹簧的弹力；fh为横向弹簧的弹力；fc为侧向弹簧的弹力；fg为摆杆给振动块的支撑力；f为加载力；b为侧向弹簧的水平投影；a为振动块的竖向位移；lh0为横向弹簧的原长；lh为横向弹簧的工作长度；kh为横向弹簧的刚度；lc0为侧向弹簧的原长；lc为侧向弹簧的工作长度；kc为侧向弹簧的刚度；lg为摆杆的长度；θ为摆杆与水平方向的夹角；α为侧向弹簧与水平方向的夹角；△lh0横向弹簧的拉伸变形量。

7、第一项为两个侧向弹簧的竖向刚度，因为lc0<b，此项刚度为正刚度，在平衡位置正刚度最小，远离平衡位置时随着α角的增加单调递增；

8、第二项为两个横向弹簧通过摆杆作用于振动块上产生的竖向刚度；如果△lh0＝lg，此项刚度为一个恒定的值；如果△lh0>lg，此项刚度为负刚度，远离平衡位置时随着θ角的增加负刚度越来越大，无法形成稳定的零刚度系统；如果△lh0<lg，在平衡位置此项刚度为负的最大值，远离平衡位置时随着θ角的增加刚度单调递增，并在某一个摆角刚度达到零，随后变为正刚度，可以形成稳定的零刚度系统；

9、第三项为竖向弹簧的刚度，是一个恒定值；

10、一个竖向弹簧、两个横向弹簧和两个侧向弹簧均处于拉伸状态。

11、一种全拉簧零刚度弹簧机构，所述全拉簧零刚度弹簧机构是基于上述的一种正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型来实现的，其中，包括：机架组件、竖向弹簧组件、水平拉簧组件、侧向调节拉簧组件、滑块组件、可调轴承座组件和振动支架组件；竖向弹簧组件用于模拟所述的竖向弹簧，水平拉簧组件用于模拟所述的横向弹簧，侧向调节拉簧组件用于模拟所述的侧向弹簧，滑块组件用于模拟所述的滑块，可调轴承座组件用于模拟所述的轴承座，振动支架组件用于模拟所述的振动块；

12、机架组件包括：长轴、面板、第一安装板、顶侧安装板、第三安装板和底侧安装板，两个面板前、后平行设置，顶侧安装板的两端分别与两个面板的顶端连接，底侧安装板的两端分别与两个面板的底端中部连接；顶侧安装板和底侧安装板相互平行，长轴的上端和顶侧安装板连接，长轴的下端和底侧安装板连接；两个第一安装板左、右对称设置且设于两个面板之间，每一个第一安装板的两个侧边分别与两个面板连接；每一个第一安装板上安装有两个第三安装板，位于同一个第一安装板上的两个第三安装板前、后对称设置；

13、竖向弹簧组件套设在长轴上且其上端安装在长轴上，竖向弹簧组件可沿所述长轴拉伸，振动支架组件安装在竖向弹簧组件的下端，振动支架组件的左、右两侧分别设有一个可转动地振动支架小轴；

14、每一个第一安装板上安装有一组滑轨，所述滑轨设于该第一安装板上两个第三安装板之间；每一组滑轨上滑动安装有一个滑块组件，每一个滑块组件的一端和一个连接摆杆件的一端转动连接，该连接摆杆件的另一端和一个振动支架小轴连接；连接摆杆件用于模拟所述的摆杆；

15、机架组件还包括：活动连接板，每一个水平拉簧组件的一端和一个第三安装板连接，位于左侧的两个水平拉簧组件的另一端和位于左侧的滑块组件的另一端通过一个活动连接板连接，位于右侧的两个水平拉簧组件的另一端和位于右侧的滑块组件的另一端通过另一个活动连接板连接；

16、每一个第一安装板上安装有两个可调轴承座组件，位于同一个第一安装板上的两个可调轴承座组件对称设置在滑轨的前、后两侧，每一个侧向调节拉簧组件的一端和一个振动支架小轴的一端转动连接，每一个侧向调节拉簧组件的另一端和一个可调轴承座组件转动连接。

17、本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

18、(1)本发明在全拉簧零刚度弹簧系统中，所有弹簧均采用拉簧，解决零刚度弹簧系统中弹簧与导杆中摩擦力大的问题；

19、(2)本发明在全拉簧零刚度弹簧系统中，除了竖向主弹簧之外，两个连杆通过水平拉簧提供一个变化的负刚度，再通过两个斜拉弹簧提供一个小幅的变化的正刚度，通过正负刚度相互抵消的方式来改变系统总刚度的变化规律，解决零刚度弹簧系统中零刚度特性差的问题；

20、(3)本发明在全拉簧零刚度弹簧系统中，增加了两个斜拉弹簧提供一个小幅的变化的正刚度，可通过改变斜拉弹簧的拉伸量和安装位置等方式改变系统总刚度的变化规律，解决零刚度弹簧系统的总刚度难于调节的问题。

技术特征：

1.一种正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型，其特征在于，包括：竖向弹簧、横向弹簧、侧向弹簧、滑块、摆杆、振动块和轴承座，竖向弹簧竖直设置，竖向弹簧的上端固定连接，竖向弹簧的下端和振动块连接，振动块可沿竖直方向位移；两个横向弹簧均水平设置且对称设置在竖向弹簧的左、右两侧，每一个横向弹簧靠近竖向弹簧的一端固定连接，每一个横向弹簧远离竖向弹簧的一端和一个滑块连接，两个滑块可沿水平方向位移；两个摆杆对称设置在竖向弹簧的左、右两侧，每一个摆杆的一端和一个滑块铰接，每一个摆杆的另一端和振动块铰接；两个侧向弹簧对称设置在竖向弹簧的左、右两侧，每一个侧向弹簧的一端和一个轴承座铰接，每一个侧向弹簧的另一端和振动块铰接；两个轴承座和两个滑块位于同一水平面；

2.一种全拉簧零刚度弹簧机构，所述全拉簧零刚度弹簧机构是基于权利要求1中所述的一种正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型来实现的，其特征在于，包括：机架组件(1)、竖向弹簧组件(2)、水平拉簧组件(3)、侧向调节拉簧组件(4)、滑块组件(5)、可调轴承座组件(6)和振动支架组件(7)；竖向弹簧组件(2)用于模拟权利要求1中所述的竖向弹簧，水平拉簧组件(3)用于模拟权利要求1中所述的横向弹簧，侧向调节拉簧组件(4)用于模拟权利要求1中所述的侧向弹簧，滑块组件(5)用于模拟权利要求1中所述的滑块，可调轴承座组件(6)用于模拟权利要求1中所述的轴承座，振动支架组件(7)用于模拟权利要求1中所述的振动块；

3.根据权利要求2所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，所述机架组件(1)还包括：支撑板(12)、第一肋板(16)和第二肋板(18)，两个面板(11)的左、右两侧边分别通过两个支撑板(12)连接；两个第二肋板(18)左、右对称设置，每一个第二肋板(18)的两端分别与两个面板(11)连接，每一个第二肋板(18)的上端和一个第一安装板(13)连接，两个第一肋板(16)前、后对称设置，每一个第一肋板(16)的两端分别与两个第二肋板(18)连接。

4.根据权利要求2所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，竖向弹簧组件(2)包括：第一调节螺母、竖向弹簧固定板(21)、竖向拉伸弹簧(22)和竖向弹簧固定端(23)，两个竖向弹簧固定板(21)上、下对称设置，每一个竖向弹簧固定板(21)背离另一个竖向弹簧固定板(21)的侧面开设有与竖向弹簧固定端(23)相匹配的至少一个第一装配槽，每一个第一装配槽的槽底开设有一个第一安装通孔，两个竖向弹簧固定板(21)之间设有至少一个竖向拉伸弹簧(22)，每一个竖向拉伸弹簧(22)上、下两端分别与一个竖向弹簧固定端(23)连接，每一个竖向拉伸弹簧(22)的一端穿入一个竖向弹簧固定板(21)的一个第一安装通孔并通过位于该端部的竖向弹簧固定端(23)卡接在该第一安装通孔所在的第一装配槽内；位于上侧的竖向弹簧固定板(21)的上、下两侧均设有第一调节螺母，长轴上开设有外螺纹，两个第一调节螺母均装配在长轴的外螺纹上；

5.根据权利要求4所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，竖向弹簧组件(2)还包括：第一锁紧螺钉，位于两个竖向弹簧固定板(21)之间的多个竖向拉伸弹簧(22)绕竖向弹簧固定板(21)的轴线等间距设置；多个竖向弹簧固定端(23)均为六角螺母，每一个六角螺母的内周开设有与竖向拉伸弹簧(22)相匹配的螺纹槽，每一个竖向弹簧固定板(21)上安装有多个第一锁紧螺钉，每一个第一锁紧螺钉的端部均抵于六角螺母的外壁。

6.根据权利要求2所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，水平拉簧组件(3)包括：第二调节螺母、第二锁紧螺钉、横向螺纹管(31)、水平拉伸弹簧(32)、横向弹簧固定端(33)和横向端部固定块(34)，水平拉伸弹簧(32)的一端和横向弹簧固定端(33)连接，水平拉伸弹簧(32)的另一端和横向端部固定块(34)连接，横向弹簧固定端(33)和横向端部固定块(34)上均安装有多个第二锁紧螺钉，每一个第二锁紧螺钉的端部均抵于水平拉伸弹簧(32)，横向螺纹管(31)套设在水平拉伸弹簧(32)上且设于横向弹簧固定端(33)和横向端部固定块(34)之间；每一个水平拉簧组件(3)的横向弹簧固定端(33)和一个第三安装板(17)连接，每一个水平拉簧组件(3)穿入一个活动连接板，每一个水平拉簧组件(3)的横向螺纹管(31)上装配有两个第二调节螺母，两个第二调节螺母分别设于活动连接板的左、右两侧，当水平拉伸弹簧(32)处于拉伸状态时，横向螺纹管(31)的端部抵于横向端部固定块(34)。

7.根据权利要求2所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，可调轴承座组件(6)包括：转动安装座、分体轴承座(61)、第二轴承端盖(62)和调节螺钉(63)，分体轴承座(61)上前、后对称开设有两个第二轴承安装孔，每一个第二轴承安装孔安装有一个第二轴承端盖(62)，分体轴承座(61)的底面的每一个角部开设有一个与调节螺钉(63)的螺钉安装孔，转动安装座和分体轴承座(61)通过两个第二轴承转动连接；第一安装板(13)开设有多个与面板(11)相平行的条形装配孔，多个调节螺钉(63)均由第一安装板(13)的底部穿入条形装配孔，每一个分体轴承座(61)和一个第一安装板(13)通过多个调节螺钉(63)连接。

8.根据权利要求7所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，侧向调节拉簧组件(4)包括：第三调节螺母、第三锁紧螺钉、侧向弹簧固定端(41)、侧向拉伸弹簧(42)、侧向螺纹管(43)、第一轴承端盖(44)和侧向端部固定块(45)，侧向拉伸弹簧(42)的一端和侧向弹簧固定端(41)连接，侧向拉伸弹簧(42)的另一端和侧向端部固定块(45)连接，侧向弹簧固定端(41)和侧向端部固定块(45)上均安装有多个第三锁紧螺钉，每一个第三锁紧螺钉的端部均抵于侧向拉伸弹簧(42)，侧向螺纹管(43)套设在侧向拉伸弹簧(42)上且设于侧向弹簧固定端(41)和侧向端部固定块(45)之间，侧向弹簧固定端(41)上开设有第一轴承安装孔，第一轴承安装孔的两端分别安装有一个第一轴承端盖(44)；每一个侧向调节拉簧组件(4)的第一轴承安装孔和一个振动支架小轴(72)的一端通过第一轴承转动连接，每一个侧向调节拉簧组件(4)穿入一个转动安装座，每一个侧向调节拉簧组件(4)的侧向螺纹管(43)上装配有两个第三调节螺母，两个第三调节螺母分别设于转动安装座的两端，当侧向拉伸弹簧(42)处于拉伸状态时，侧向螺纹管(43)的端部抵于侧向端部固定块(45)。

9.根据权利要求2所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，滑块组件(5)包括：侧向弹簧轴承座(51)、滑块安装板(52)和滑块(53)，侧向弹簧轴承座(51)安装在滑块安装板(52)的上表面的一端，滑块安装板(52)的下表面安装有一组滑块(53)；每一个第一安装板(13)上的一组滑轨和滑块组件(5)的一组滑块(53)滑动连接，每一个滑块组件(5)的侧向弹簧轴承座(51)和一个连接摆杆件的一端通过转轴转动连接，滑块安装板(52)的另一端和活动连接板连接。

10.根据权利要求4所述的全拉簧零刚度弹簧机构，其特征在于，振动支架组件(7)还包括：振动支架(71)和第三轴承端盖(73)，振动支架(71)安装在位于下侧的竖向弹簧固定板(21)上，振动支架(71)和长轴通过直线轴承连接，振动支架(71)的左、右两侧分别开设有两个第三轴承安装孔，位于左侧的两个第三轴承安装孔同轴设置，位于右侧的两个第三轴承安装孔同轴设置，每一个第三轴承安装孔安装有一个第三轴承端盖(73)，位于左侧两个第三轴承安装孔和一个振动支架小轴(72)通过两个第三轴承转动连接，位于右侧两个第三轴承安装孔和另一个振动支架小轴(72)通过另外两个第三轴承转动连接。

技术总结
本发明公开了一种正负刚度抵消式全拉簧零刚度弹簧模型及基于该模型的全拉簧零刚度弹簧机构，涉及零刚度弹簧系统的技术领域，解决了目前通常采用的三角形零刚度弹簧系统，存在零刚度特性差、弹簧与导杆之间的摩擦力大、刚度调节困难等问题，所有弹簧均采用拉簧，除了竖向主弹簧之外，两个连杆通过水平拉簧提供一个变化的负刚度，再通过两个斜拉弹簧提供一个小幅的变化的正刚度，通过正负刚度相互抵消的方式来改变系统总刚度的变化规律，解决零刚度弹簧系统中零刚度特性差的问题，可通过改变斜拉弹簧的拉伸量和安装位置等方式改变系统总刚度的变化规律，解决零刚度弹簧系统的总刚度难于调节的问题。

技术研发人员：张海兵,曹立文,刘国华,张然,刘德政,李宇航
受保护的技术使用者：黑龙江大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/13