一种准零刚度隔振缓冲器设计机理与应用研究

牛　福，任旭东，孟令帅，吴文娟，孟　光，孙景工

一种准零刚度隔振缓冲器设计机理与应用研究

牛福，任旭东，孟令帅，吴文娟，孟光，孙景工

目的：设计一种新型准零刚度隔振缓冲器，将其应用于救护车担架伤病员的隔振缓冲。方法：根据开槽碟形弹簧的准零刚度机理特性，应用高静态刚度、低动态刚度的隔振设计方法，采用开槽碟形弹簧的对合组合结构形式进行设计与应用验证。结果：设计的准零刚度隔振缓冲器力-位移特性曲线的趋势吻合度较好，救护车在沥青道路上以不同车速匀速行驶时，卧姿人体臀-头部频率计权加速度均小于0.315 m/s2。结论：该新型隔振缓冲器应用于救护车担架伤病员的隔振缓冲，伤病员处于一级非常舒适水平，具有较为显著的隔振缓冲效果。

准零刚度；隔振缓冲；开槽碟形弹簧；乘卧舒适性

0　引言

传统的线性被动式隔振缓冲技术是通过设计合适的弹簧支承，在振动系统固有频率的倍以后的频率范围内，可起到有效的隔振缓冲作用[1]，但是隔离低频振动的效果较差。为使隔振缓冲频率范围更大、隔振效果更好，就要进一步降低振动系统的固有频率。降低振动系统的固有频率一般有2种途径：一种是减小系统刚度，即减小隔振缓冲器的弹簧刚度，但是减小系统刚度将直接导致静变形增大和系统的不稳定；另一种是增大系统质量，即增大隔振缓冲器的负载，而这又会受到空间和结构的限制。

准零刚度隔振缓冲技术可以使振动系统具有高静态刚度、低动态刚度特性，成为近年来非线性隔振缓冲研究的热点[2-10]。J C Nissen等[11]研究人员应用碟形弹簧的渐软特性，有效扩大了隔振频率范围。A Risitano等[12]研究了碟形弹簧在水平方向获得零刚度特性的方法。吴焕[13]对碟形弹簧在不同组合方式、不同载荷激励下的力学性能进行了试验研究，分析了碟形弹簧刚度、阻尼与组合方式及加载频率的关系。张月英[14]采用正负刚度并联方式设计了一种新型隔振器，在静平衡位置时具有零刚度特性，在小振幅范围内具有高静态刚度、低动态刚度特性。

本文为有效提升某型越野急救车担架伤病员的乘卧舒适性，应用开槽碟形弹簧的准零刚度机理特性，新设计、试制了一种新型隔振缓冲器，并将其应用于救护车上担架伤病员的隔振缓冲中，通过试验考察其在垂直方向的隔振缓冲性能，并对试验数据进行分析，对担架伤病员的乘卧舒适性进行客观评价。

1　准零刚度隔振缓冲器设计机理

传统的线性被动式隔振缓冲系统的力-位移特性曲线如图1中的实线所示，准零刚度隔振缓冲系统的力-位移特性曲线如图1中的虚线所示。当线性振动系统在承载质量m后，在x=δst时处于静力平衡状态，将其回复力和静态位移的比值称之为静态刚度，是一个常数。当质量在其平衡位置附近的Δx的范围内发生轻微波动，其回复力和产生的位移的比值，称之为动态刚度。由图1中的实线可知，线性振动系统的静态刚度与动态刚度相等。由图1中的虚线可知，当准零刚度隔振系统承载质量m之后，同样在x=δst处达到静力学平衡，其静态刚度不变。但因其平衡位置附近的力-位移特性曲线呈现水平趋势，其动态刚度趋于零，故振动系统的固有频率亦趋于零。因此，准零刚度隔振缓冲系统可以用在低频和超低频隔振缓冲领域，有效提升隔振缓冲效果。

图1　隔振缓冲系统的力-位移特性曲线

准零刚度隔振缓冲系统的实现，主要有2种途径：一种是应用弹性元件在变形过程中的非线性特性；另一种是通过正负刚度元件并联。

碟形弹簧由于其特殊的结构形式，可以在其变形过程中实现准零刚度特性，适用于变形较小、承载较大的场合。为使碟形弹簧能适用于承载较小的场合，可以应用开槽碟形弹簧来设计实现。开槽碟形弹簧是碟形弹簧的一种特殊形式，是在普通碟形弹簧的基础上由内向外开出若干径向沟槽而制成，如图2所示。

图2　开槽碟形弹簧

图3　开槽碟形弹簧的力-位移特性曲线

开槽碟形弹簧可等效为由若干个独立的呈圆周阵列的悬臂梁与封闭的碟形弹簧构成，其计算一般是基于Almen-Laszlo原理。

开槽碟形弹簧的力-位移特性曲线如图3所示。根据理论计算，当开槽碟形弹簧的高厚比h/t=时，碟形弹簧具有零刚度特性，且始终满足弹簧刚度k≥0；当h/t＜时，碟形弹簧的刚度始终满足k＞0；当h/t＞时，碟形弹簧存在负刚度区域，不稳定。因此，在应用开槽碟形弹簧进行准零刚度隔振缓冲系统设计时，应使其高厚比h/t=√2或在其附近范围内[15]。

开槽碟形弹簧的回复力具有弹簧变形3次项的形式，呈非线性，其振动动力学方程为含有弹簧变形3次项的二阶非线性微分方程，具有杜芬方程的形式。

2　准零刚度隔振缓冲器的设计

通过将开槽碟形弹簧进行对合组合，可以使其在承受相同负载的同时具有更大的行程，进而扩大其具有准零刚度特性的变形区间。图4所示的试验结果也证明了这一点。

图4　开槽碟形弹簧与新型隔振缓冲器力-位移静态特性试验曲线

经过理论设计的新型准零刚度隔振缓冲器结构与外形如图5所示。

图5　新型准零刚度隔振缓冲器结构与外形

经过理论分析与试验，可获得新型准零刚度隔振缓冲器力-位移特性理论与试验曲线的对比图，如图6所示。

图6　新型隔振缓冲器力-位移特性理论与试验曲线

由图6可以看出曲线光滑、连续，趋势吻合较好，二者存在偏差可能与以下几种因素有关：

（1）摩擦力影响：开槽碟形弹簧或新型隔振缓冲器在压缩过程中，其支撑面与舌片端头均与接触面产生不均匀摩擦。单片开槽碟形弹簧摩擦力波动较小，承载力波动不明显；但新型隔振缓冲器经过多片对合后，摩擦力波动叠加，导致承载力波动增大。

（2）边界条件：开槽碟形弹簧在压缩变形过程中，其支撑面不受边界约束，而新型隔振缓冲器内的开槽碟形弹簧被约束在金属内腔，受到边界约束，可能导致摩擦力波动，从而影响承载力波动。

（3）加工、装配质量：开槽碟形弹簧支撑面平面度、舌片长度和角度，新型隔振缓冲器对合的各开槽碟形弹簧平行度、同轴度以及装配时底座与连接杆的垂直度、平行度都会对新型隔振缓冲器的承载力产生波动影响。

3　隔振缓冲效果评价

将设计加工的新型隔振缓冲器应用于某型救护车担架支架伤病员的隔振缓冲，并对其进行乘卧舒适性分析评价。某型救护车的主要功能是运送卧姿伤病员，根据装备有关技术要求，通过2次隔振缓冲，应有效提升担架伤病员的乘卧舒适性。在救护车车厢内左右两侧分别安装一套担架支架，每套担架支架下端与车厢底板通过4个新型隔振缓冲器进行连接、固定。试验传感器布置如图7所示。

图7　传感器布置示意图

乘卧舒适性试验主要依据QC/T 677—2001《卧铺客车平顺性随机输入行驶试验方法》[16]。救护车分别以40、50、60、70、80、90 km/h的速度在沥青道路上匀速行驶，分别采集置于伤病员头、臀部对应的担架面处以及对应的车厢底板处的振动加速度传感器信号，并对其进行分析处理。采用卧姿人体在臀-头部位计权与频率计权的部位-频率2次计权法获得臀-头部频率计权加速度（等效加速度均方根值），进行救护车乘卧振动舒适性分析与评价。救护车在沥青道路上以不同车速行驶，卧姿人体臀-头部频率计权加速度及舒适性评价情况见表1。

表1　不同车速下的卧姿人体臀-头部频率计权加速度（沥青路）

由表1可知，通过应用本文设计的新型准零刚度隔振缓冲器，救护车担架伤病员的隔振缓冲效果处于一级非常舒适水平。

4　结论

本文通过研究准零刚度隔振缓冲器的设计机理，应用开槽碟形弹簧的准零刚度特性，采用开槽碟形弹簧的对合组合结构形式，设计了一种新型准零刚度隔振缓冲器，经过理论设计与特性试验分析，获得其力-位移特性曲线的趋势吻合度较好。

将新型准零刚度隔振缓冲器应用于某型救护车担架伤病员的2次隔振缓冲，救护车分别以40、50、60、70、80、90 km/h的速度在沥青道路上匀速行驶，隔振缓冲效果较为显著，可以推广应用。

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[16]QC/T 677—2001卧铺客车平顺性随机输入行驶试验方法[S].

（收稿：2014-11-05修回：2015-02-13）

Design mechanism and application of quasi-zero stiffness isolator

NIU Fu1,2,REN Xu-dong2,MENG Ling-shuai2,WU Wen-juan2,MENG Guang1,SUN Jing-gong2
(1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

Objective To develop a new quasi-zero stiffness isolator for the vibration isolation of the sick and wounded on theambulance stretcher.Methods The isolator was designed and verified on the basis of the quasi-zero stiffness of slotted disk spring,vibration isolation design method with high static while low dynamic stiffness and co-laminated structure of the spring.Results The theoretical analyses and tests proved the force-displacement curves of the new quasi-zero stiffness isolator fit well.The frequency-weighted acceleration at the buttock and head under different speeds on the asphalt roads was less than 0.315 m/s2.Conclusion The new quasi-zero stiffness isolator developed behaves well in vibration isolation and comfortability for the ambulance stretcher sick and wounded.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：34-36]

quasi-zero stiffness;vibration isolation;slotted conical disk spring;ride comfort

[中国图书资料分类号]R318；TU112.596A

1003-8868（2015）05-0034-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.034

后勤装备研制项目（AWS10Z003）

牛福（1976—），男，工程师，主要从事军队卫生装备学及车辆人机动力学系统方面的研究工作，E-mail:niufu@vip.sina.com。

200240上海，上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室（牛福，孟光）；300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（牛福，任旭东，孟令帅，吴文娟，孙景工）

任旭东，E-mail:r_xudong@163.com