[发明专利]大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构

权利要求书

1.一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，包括非线性吸振系统、变准零刚度隔振系统和俘能系统；

所述非线性吸振系统用于吸收大幅度振动；所述变准零刚度隔振系统用于吸收微幅振动和隔离振动；所述俘能系统将振动转化为电能，起到振动抑制的效果；

所述非线性吸振系统包括一级底座、第五正刚度弹簧和竖直伸缩杆；所述一级底座在所述一体化结构的最下方；所述竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧的下端都固定在一级底座上，竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧的上端都固定在变准零刚度隔振系统底部；所述第五正刚度弹簧套在竖直伸缩杆外围，使得变准零刚度隔振系统相对于一级底座能够沿竖直方向运动而不能水平平移；

所述变准零刚度隔振系统包括凸轮变负刚度机构和第四正刚度弹簧；所述凸轮变负刚度机构包括二级底座、承重台、承重杆、第一圆弧导轨、第二圆弧导轨、第一正刚度弹簧、第二正刚度弹簧、第三正刚度弹簧、半圆导轨、第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮；

所述二级底座为U型；所述承重台在所述一体化结构的最上方；所述承重杆上端与承重台固定连接；所述第四正刚度弹簧下端固定在二级底座上，上端与承重杆固定连接；

以承重杆为对称中心，安装椭圆形导轨，所述第一圆弧导轨在椭圆形导轨上端，所述第二圆弧导轨在椭圆形导轨下端，左右两侧为竖直导轨；所述半圆导轨有两个，分别安装在左右两侧的竖直导轨上；所述第二正刚度弹簧和第三滚轮都有两个，均以承重杆为对称中心对称，左侧的第二正刚度弹簧的一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第三滚轮固定连接，左侧第三滚轮安装在左侧的半圆导轨上；所述第一正刚度弹簧、第三正刚度弹簧、第一滚轮、第二滚轮都有两个，均以承重杆为对称中心对称，左侧的第一正刚度弹簧在左侧的第二正刚度弹簧上方，左侧的第一正刚度弹簧一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第一滚轮固定连接，左侧的第一滚轮安装在左侧的竖直导轨上；左侧的第三正刚度弹簧在左侧的第二正刚度弹簧下方，左侧的第三正刚度弹簧一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第二滚轮固定连接，左侧的第二滚轮安装在左侧的竖直导轨上；

所述第一正刚度弹簧、第二正刚度弹簧、第三正刚度弹簧分别套在一端与二级底座的左侧壁固定连接，另一端与分别第一滚轮、第三滚轮、第二滚轮固定连接的不同水平伸缩杆上；

当承重杆随振动带动椭圆形导轨沿竖直方向运动时，第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮与椭圆形导轨的相对位置发生变化，从而产生负刚度；当振动为微幅振动时，第三滚轮在半圆导轨上滚动产生负刚度，第一滚轮、第二滚轮均在竖直导轨上滚动，不提供负刚度；当振幅增大，在第三滚轮滚下半圆导轨的同时，第一滚轮、第二滚轮滚入第一圆弧导轨或第二圆弧导轨，继续提供负刚度，而第三滚轮在竖直导轨上滚动，不再提供负刚度；

所述俘能系统包括以承重杆为对称中心的左右两部分，右半部分包括第一永磁体、第二永磁体、吸振永磁体、吸振弹簧、线圈和俘能导轨；所述第二永磁体固定在二级底座底座上，所述第一永磁体在第二永磁体上方，第一永磁体固定在二级底座内部的挡板上；所述第一永磁体和第二永磁体通过俘能导轨连接；所述吸振弹簧上端固定在第一永磁体上，吸振弹簧下端与吸振永磁体连接；所述吸振弹簧套在俘能导轨上，所述俘能导轨穿过吸振永磁体中心的贯穿孔，使得吸振永磁体能在吸振弹簧的作用下沿俘能导轨在竖直方向运动；

所述线圈固定在二级底座侧壁上；当吸振永磁体沿俘能导轨上下运动时，穿过线圈的磁场发生变化，线圈中产生感应电流，从而实现振动能量收集。

2.根据权利要求1所述的一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，所述永磁体的NS方向摆放满足第一永磁体、第二永磁体与吸振永磁体之间都是异性相吸。

3.根据权利要求1所述的一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，所述第一滚轮和第二滚轮的半径为R3，第三滚轮的半径为R1，第一圆弧导轨和第二圆弧导轨的半径为R，半圆导轨的半径为R2；则静止位置时第一滚轮与竖直导轨的切点距第一圆弧导轨与竖直导轨的切点的距离半圆导轨与竖直导轨的交点距第一滚轮与竖直导轨的切点的距离不小于R+L+R3。

4.根据权利要求1所述的一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，所述变准零刚度隔振系统在导轨范围内的恢复力公式如下：

式中，k_v为第四正刚度弹簧和第五正刚度弹簧的刚度，k_h1为第二正刚度弹簧的刚度，k_h2为第一正刚度弹簧和第三正刚度弹簧的刚度，δ₁为静平衡位置处第二正刚度弹簧的压缩量，δ₂为静平衡位置处第一正刚度弹簧和第三正刚度弹簧的压缩量，x为变准零刚度隔振系统相对于平衡位置的位移。