本發(fā)明涉及振動控制領(lǐng)域，具體地說是一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度方法和裝置。

背景技術(shù)：

動態(tài)荷載可以造成很多危害，小至車輛的舒適度，大至地震造成的結(jié)構(gòu)損壞坍塌。針對如何保護(hù)主體結(jié)構(gòu)抵抗動態(tài)荷載所引起的強(qiáng)振動，各種振動控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。振動控制技術(shù)可以大致分為被動模式、半主動模式和主動模式三大類。依據(jù)這三大類的振動控制技術(shù)，人們已經(jīng)發(fā)明出各種用于減輕主體結(jié)構(gòu)振動的阻尼器，例如粘性流體阻尼器、粘彈性阻尼器、金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、磁流變(magnetorheology，MR)阻尼器、可變孔阻尼器、可變摩擦阻尼器和主動質(zhì)量驅(qū)動器等。

各式的阻尼器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在土木、機(jī)械和航空航天領(lǐng)域。相比于被動控制技術(shù)，半主動和主動控制技術(shù)往往可以取得更好的振動控制效果。在主動控制技術(shù)中，線性二次調(diào)節(jié)器(LQR)算法作為一種普遍采用的最優(yōu)控制理論，可以產(chǎn)生一種具有顯著負(fù)剛度特性的阻尼力-變形關(guān)系。這一結(jié)論激發(fā)了研究人員尋求一種能夠與主動阻尼器一樣產(chǎn)生相同的滯回特性并達(dá)到相同控制性能的被動式負(fù)剛度裝置(negative-stiffness device，NSD)。

目前，負(fù)剛度裝置的優(yōu)點已經(jīng)在實際應(yīng)用領(lǐng)域中得到了驗證，例如土木工程領(lǐng)域中，受到地面運(yùn)動作用的建筑物和橋梁，機(jī)械工程領(lǐng)域中的車輛座椅、懸架，和敏感設(shè)備的減振臺等。盡管負(fù)剛度裝置在振動控制領(lǐng)域的優(yōu)越性已經(jīng)得到了驗證，但仍未得到廣泛應(yīng)用，其原因如下：

1、半主動模式的負(fù)剛度裝置需要根據(jù)其保護(hù)結(jié)構(gòu)專門設(shè)計控制算法和規(guī)則，一般不具備推廣性；

2、被動形式的負(fù)剛度的安裝會導(dǎo)致系統(tǒng)剛度(包括靜態(tài)和動態(tài))的下降，在靜態(tài)荷載發(fā)生變化時，會放大該變化造成的響應(yīng)，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對上述原因，采用被動負(fù)剛度技術(shù)和靜荷載隔離技術(shù)，設(shè)計一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度方法和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不承載靜態(tài)載荷的智 能負(fù)剛度方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度方法，該方法基于具有傳動軸的被動負(fù)剛度元件，用于控制被動負(fù)剛度元件啟閉的啟用元件和停用元件，用于改變被動負(fù)剛度元件位置或傳動軸長度的電機(jī)，用于測量外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件中所承受靜態(tài)載荷的傳感器，用于接收傳感器信號并控制電機(jī)啟閉的控制器，其中，被動負(fù)剛度元件具有負(fù)彈簧系數(shù)，且被動負(fù)剛度元件的負(fù)彈簧系數(shù)絕對值不大于支撐外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件的正彈簧系數(shù)；

且在被動負(fù)剛度元件中的安裝框上設(shè)置停用元件，在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件、電機(jī)兩者中任一結(jié)構(gòu)與傳動軸的連接點設(shè)置啟用元件，以控制被動負(fù)剛度元件的啟閉；

將上述被動負(fù)剛度元件和電機(jī)設(shè)置于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件下方、地面或簧下元件上方，控制器用于接收傳感器信號并控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器接收來自傳感器的信號并控制電機(jī)來改變被動負(fù)剛度元件位置或傳動軸長度，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件落在被動負(fù)剛度元件上靜態(tài)載荷的目的；

上述控制器通過啟用元件和停用元件控制被動負(fù)剛度元件的啟閉：當(dāng)啟用元件開啟，停用元件關(guān)閉時，被動負(fù)剛度元件的傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件直接連接，或者被動負(fù)剛度元件的傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件通過電機(jī)間接連接，被動負(fù)剛度元件啟用；當(dāng)啟用元件關(guān)閉，停用元件開啟時，被動負(fù)剛度元件的傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件松開，或者被動負(fù)剛度元件的傳動軸與電機(jī)間松開。

在上述基礎(chǔ)上，所述被動負(fù)剛度元件包括安裝框和被動負(fù)剛度元件本體，所述安裝框上設(shè)置有停用元件，所述被動負(fù)剛度元件本體固定連接于安裝框內(nèi)部，且被動負(fù)剛度元件本體上具有傳動軸，該傳動軸向上穿過安裝框的停用元件直接連接于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，且啟用元件設(shè)置在傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件的連接點，安裝框底部通過電機(jī)間接連接于地面或簧下元件。在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器接收來自傳感器的信號，控制啟用元件和停用元件的啟閉以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)動作來改變被動負(fù)剛度元件位置，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件落在被動負(fù)剛度元件上靜態(tài)載荷的目的。

在上述基礎(chǔ)上，所述被動負(fù)剛度元件包括安裝框和被動負(fù)剛度元件本體，所述安裝框上設(shè)置有停用元件，所述被動負(fù)剛度元件本體固定連接于安裝框內(nèi) 部，且被動負(fù)剛度元件本體上具有傳動軸，該傳動軸向上穿過安裝框的停用元件通過電機(jī)間接連接于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，且啟用元件設(shè)置在傳動軸與電機(jī)的連接點，安裝框底部直接連接于地面或簧下元件。在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器接收來自傳感器的信號，控制啟用元件和停用元件的啟閉以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)動作來改變被動負(fù)剛度元件位置，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件落在被動負(fù)剛度元件上靜態(tài)載荷的目的。

基于上述方法，本發(fā)明還提供一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度裝置。

一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度裝置，其結(jié)構(gòu)包括被動負(fù)剛度元件、電機(jī)、傳感器和控制器，被動負(fù)剛度元件具有負(fù)彈簧系數(shù)，且被動負(fù)剛度元件的負(fù)彈簧系數(shù)絕對值不大于支撐外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件的正彈簧系數(shù)；

被動負(fù)剛度元件具有向上設(shè)置的傳動軸，且被動負(fù)剛度元件的安裝框上設(shè)置有停用元件；被動負(fù)剛度元件的傳動軸直接連接或者通過電機(jī)間接連接外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，且外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件、電機(jī)兩者中任一結(jié)構(gòu)與傳動軸的連接點設(shè)置啟用元件；所述被動負(fù)剛度元件底部通過電機(jī)間接連接或者直接連接地面或簧下元件；

傳感器用于測量外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件中所承受的靜態(tài)載荷；

控制器用于接收傳感器信號并控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器接收來自傳感器的信號并控制電機(jī)來改變被動負(fù)剛度元件位置或傳動軸長度，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件落在被動負(fù)剛度元件上靜態(tài)載荷的目的；

上述控制器可以通過啟用元件和停用元件控制被動負(fù)剛度元件的啟閉：當(dāng)啟用元件開啟，停用元件關(guān)閉時，被動負(fù)剛度元件的傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件直接連接，或者被動負(fù)剛度元件的傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件通過電機(jī)間接連接，被動負(fù)剛度元件啟用；當(dāng)啟用元件關(guān)閉，停用元件開啟時，被動負(fù)剛度元件的傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件松開，或者被動負(fù)剛度元件的傳動軸與電機(jī)間松開。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，被動負(fù)剛度元件包括安裝框和被動負(fù)剛度元件本體。安裝框上設(shè)置有停用元件。被動負(fù)剛度元件本體固定連接于安裝框內(nèi)部，且被動負(fù)剛度元件本體上具有傳動軸，該傳動軸向上穿過安裝框的停用元件并直接連接外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，且啟用元件設(shè)置在傳動軸與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件的連接點，安裝框底部通過電機(jī)間接連接于地面 或簧下元件。在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器接收來自傳感器的信號并控制啟用元件、停用元件和電機(jī)的啟閉，來改變被動負(fù)剛度元件位置，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件落在被動負(fù)剛度元件上靜態(tài)載荷的目的。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，被動負(fù)剛度元件包括安裝框和被動負(fù)剛度元件本體。安裝框上設(shè)置有停用元件。被動負(fù)剛度元件本體固定連接于安裝框內(nèi)部，且被動負(fù)剛度元件本體上具有傳動軸，該傳動軸向上穿過安裝框的停用元件通過電機(jī)間接連接于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，且啟用元件設(shè)置在傳動軸與電機(jī)的連接點，安裝框底部直接連接于地面或簧下元件。在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器接收來自傳感器的信號并控制啟用元件、停用元件和電機(jī)的啟閉，來改變傳動軸長度，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件落在被動負(fù)剛度元件上靜態(tài)載荷的目的。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，具體的，被動負(fù)剛度元件本體是利用磁鐵間斥力、預(yù)屈曲梁突變特性或預(yù)應(yīng)力彈簧的負(fù)剛度元件。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選電機(jī)為直線電機(jī)，直線電機(jī)的安裝軌道向下連接于地面或簧下元件，且直線電機(jī)的電機(jī)軸向上連接于安裝框底部，或者，直線電機(jī)的安裝軌道向上連接于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，且直線電機(jī)的電機(jī)軸向下連接于傳動軸。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選電機(jī)為轉(zhuǎn)動電機(jī)，轉(zhuǎn)動電機(jī)設(shè)置于地面或簧下元件，且轉(zhuǎn)動電機(jī)的軸端通過齒輪齒條向上連接于被動負(fù)剛度元件的安裝框，或者，轉(zhuǎn)動電機(jī)設(shè)置于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，轉(zhuǎn)動電機(jī)的軸端通過齒輪齒條向下連接傳動軸。

本發(fā)明的一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度方法和裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比所產(chǎn)生的有益效果是：

1)本發(fā)明的一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度方法采用被動負(fù)剛度技術(shù)和靜載荷隔離技術(shù)，通過被動負(fù)剛度元件直接或者間接連接外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件、地面或簧下元件，通過改變被動負(fù)剛度元件位置或者傳動軸長度，抵消靜態(tài)荷載引起的被動負(fù)剛度元件位置偏移或傳動軸長度偏移，并根據(jù)動態(tài)荷載的變化提供對外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件隔振保護(hù)，將外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件的靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度分離開來，實現(xiàn)本發(fā)明的方法在隔震系統(tǒng)應(yīng)用中具有高靜態(tài)剛度、低動態(tài)剛度；

2)本發(fā)明的一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度裝置，通過設(shè)置被動負(fù)剛度元件，以及測量靜態(tài)載荷的傳感器、接收傳感器信號并根據(jù)接收信號控制電 機(jī)動作的控制器、以及根據(jù)控制器指令改變被動負(fù)剛度元件位置或傳動軸長度的電機(jī)，通過改變被動負(fù)剛度元件位置或者傳動軸長度，來抵消被動負(fù)剛度元件位置偏移或傳動軸長度偏移，使被動負(fù)剛度元件不承載上述靜態(tài)載荷，讓本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置的靜態(tài)剛度不受影響，而只降低或抵消本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置的動態(tài)剛度。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明中實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本發(fā)明中實施例一的原理圖；

附圖3是本發(fā)明中實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4是本發(fā)明中實施例二的原理圖；

附圖5是本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置中剛度與載荷頻率的變化關(guān)系示意圖；

附圖6是被動負(fù)剛度元件的負(fù)彈簧系數(shù)是線性的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖7是被動負(fù)剛度元件的負(fù)彈簧系數(shù)是非線性的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖8是被動負(fù)剛度元件本體選用磁鐵的結(jié)構(gòu)圖；

附圖9是被動負(fù)剛度元件本體選用預(yù)屈曲梁的結(jié)構(gòu)圖；

附圖10是被動負(fù)剛度元件本體選用預(yù)應(yīng)力彈簧的結(jié)構(gòu)圖；

附圖11是本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置中電機(jī)為直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖12是本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置中電機(jī)為轉(zhuǎn)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖13是本發(fā)明中實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖14表示實施例三中不同控制方法下輪胎形變時程響應(yīng)；

附圖15表示實施例三中不同控制方法下車身振動速度時程響應(yīng)；

附圖16表示實施例三中不同控制方法下車身靜荷載響應(yīng)；

附圖17是本發(fā)明中實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖18表示實施例四中不同控制方法下輪胎形變時程響應(yīng)；

附圖19表示實施例四中不同控制方法下車身振動速度時程響應(yīng)；

附圖20表示實施例四中不同控制方法下車身靜荷載響應(yīng)；

附圖21是本發(fā)明中實施例五的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖22表示實施例五中不同控制方法下的時程響應(yīng)。

圖中各標(biāo)號表示：

1、被動負(fù)剛度元件，2、啟用元件，3、停用元件，4、傳感器，

5、控制器，6、電機(jī)，7、外軸連接點，8、內(nèi)連接點，9、外框連接點，

10、傳動軸，11、外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件，12、支撐彈簧，

13、車輛底盤，14、車輛輪胎，15、車身，16、被動阻尼器，

17、半主動阻尼器，18、安裝框，19、地面或簧下元件；

101、動磁鐵，102、靜磁鐵，111、預(yù)屈曲梁，121、預(yù)應(yīng)力彈簧；

610、直線電機(jī)，611、安裝軌道；

620、轉(zhuǎn)動電機(jī)，621、齒輪，622、齒條；

31、單自由度系統(tǒng)質(zhì)量，32、單自由度系統(tǒng)的剛度元件，33、為阻尼器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度方法和裝置作以下詳細(xì)說明。

實施例一：

結(jié)合附圖1，一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度裝置，其結(jié)構(gòu)包括被動負(fù)剛度元件1、電機(jī)6、傳感器4和控制器5，被動負(fù)剛度元件1具有負(fù)彈簧系數(shù)，且被動負(fù)剛度元件1的負(fù)彈簧系數(shù)絕對值不大于支撐外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的正彈簧系數(shù)。

被動負(fù)剛度元件1包括安裝框18和被動負(fù)剛度元件本體。安裝框18上設(shè)置有停用元件3。被動負(fù)剛度元件本體固定連接于安裝框18內(nèi)部，且被動負(fù)剛度元件本體上具有傳動軸10，傳動軸10與被動負(fù)剛度元件本體的連接點稱為內(nèi)連接點8，該傳動軸10向上穿過安裝框18的停用元件3并直接連接外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11，且傳動軸10與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的連接點稱為外軸連接點7，該外軸連接點7設(shè)置有啟用元件2，安裝框18底部通過電機(jī)6間接連接于地面或簧下元件19，且安裝框18底部與電機(jī)6的連接點稱為外框連接點9。

傳感器4用于測量外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11中所承受的靜態(tài)載荷。

控制器5用于接收傳感器4信號并控制電機(jī)6運(yùn)轉(zhuǎn)，在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器5接收來自傳感器4的信號并控制電機(jī)6來改變被動負(fù)剛度元件1位置，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11落在被動負(fù)剛度元件1上靜態(tài)載荷的目的。

上述控制器5可以通過啟用元件2和停用元件3控制被動負(fù)剛度元件1的啟閉：當(dāng)啟用元件2開啟，停用元件3關(guān)閉時，被動負(fù)剛度元件1的傳動軸10與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11直接連接，被動負(fù)剛度元件1啟用；當(dāng)啟用元件2關(guān)閉，停用元件3開啟時，被動負(fù)剛度元件1的傳動軸10與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11松開。

基于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11、地面或簧下元件19兩者之間 已經(jīng)連接有支撐彈簧12的前提下，當(dāng)被動負(fù)剛度元件1起作用、且外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11上承載靜態(tài)載荷時，傳感器4檢測到外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11承受靜態(tài)載荷的信號，并進(jìn)一步將檢測到的信號傳遞至控制器5，控制器5控制電機(jī)6動作以改變被動負(fù)剛度元件1的安裝框18位置，以抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11落在被動負(fù)剛度元件1上靜態(tài)載荷。

結(jié)合圖2，以外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11承載靜態(tài)載荷的變化進(jìn)行原理說明：外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11承載的靜態(tài)載荷701、702由傳感器4測量，包括在t1時刻由靜態(tài)荷載701變?yōu)殪o態(tài)荷載702，傳感器4將測量信息傳遞給控制器5；控制器5根據(jù)傳感器4提供的信息和建模性能參數(shù)計算出了在沒有被動負(fù)剛度元件1作用下外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜荷載變化所引起的響應(yīng)用001表示，并提供指令給電機(jī)6；電機(jī)6執(zhí)行控制器5的指令，將被動負(fù)剛度元件1的安裝框18移動的距離用002表示。由于在沒有被動負(fù)剛度元件1作用下外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜荷載變化所引起的響應(yīng)001等于被動負(fù)剛度元件1安裝框18在電機(jī)6作用下移動的距離002，所以靜態(tài)荷載在t1時刻的變化并沒有引起被動負(fù)剛度元件1的兩端產(chǎn)生相對位移，也就是被動負(fù)剛度元件1沒有針對靜態(tài)荷載在t1時刻的變化產(chǎn)生力。所以被動負(fù)剛度元件1起產(chǎn)生的控制力與靜態(tài)荷載701、702無關(guān)。所以被動負(fù)剛度元件1不會影響外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜荷載響應(yīng)，即為不影響外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜態(tài)剛度。

實施例二：

結(jié)合圖3，一種不承載靜態(tài)載荷的智能負(fù)剛度裝置，其結(jié)構(gòu)包括被動負(fù)剛度元件1、電機(jī)6、傳感器4和控制器5，被動負(fù)剛度元件1具有負(fù)彈簧系數(shù)，且被動負(fù)剛度元件1的負(fù)彈簧系數(shù)絕對值不大于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的正彈簧系數(shù)。

被動負(fù)剛度元件1包括安裝框18和被動負(fù)剛度元件本體。安裝框18上設(shè)置有停用元件3。被動負(fù)剛度元件本體固定連接于安裝框18內(nèi)部，且被動負(fù)剛度元件本體上具有傳動軸10，傳動軸10與被動負(fù)剛度元件本體的連接點稱為內(nèi)連接點8，該傳動軸10向上穿過安裝框18的停用元件3通過電機(jī)6間接連接于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11，且傳動軸10與與電機(jī)6的連接點稱為外軸連接點7，該外軸連接點7設(shè)置有啟用元件2，安裝框18底部直接連接于地面或簧下元件19，且安裝框18底部與地面或簧下元件19的連接點稱為外框連接點9。

傳感器4用于測量外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11中所承受的靜態(tài)載荷。

控制器5用于接收傳感器4信號并控制電機(jī)6啟閉，在外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11上承載靜態(tài)載荷時，通過控制器5接收來自傳感器4的信號并控制電機(jī)6來改變傳動軸10長度，實現(xiàn)抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11落在被動負(fù)剛度元件1上靜態(tài)載荷的目的。

上述控制器5可以通過啟用元件2和停用元件3控制被動負(fù)剛度元件1的啟閉：當(dāng)啟用元件2開啟，停用元件3關(guān)閉時，被動負(fù)剛度元件的傳動軸10與外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11通過電機(jī)6間接連接，被動負(fù)剛度元件1啟用；當(dāng)啟用元件2關(guān)閉，停用元件3開啟時，被動負(fù)剛度元件1的傳動軸10與電機(jī)6間松開。

基于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11、地面或簧下元件19兩者之間已經(jīng)連接有支撐彈簧12的前提下，當(dāng)被動負(fù)剛度元件1起作用、且外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11上承載靜態(tài)載荷時，傳感器4檢測到外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11承受靜態(tài)載荷的信號，并進(jìn)一步將檢測到的信號傳遞至控制器5，控制器5控制電機(jī)6動作，以改變傳動軸10的長度，以抵消外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11落在被動負(fù)剛度元件1上靜態(tài)載荷。

結(jié)合圖4，以外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11承載靜態(tài)載荷的變化進(jìn)行原理說明：外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11承載的靜態(tài)荷載701、702由傳感器4測量，包括在t1時刻由靜態(tài)荷載701變?yōu)殪o態(tài)荷載702。傳感器4將測量信息傳遞給控制器5；控制器5根據(jù)傳感器4提供的信息和建模性能參數(shù)計算出了在沒有被動負(fù)剛度元件1作用下外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜荷載變化所引起的響應(yīng)用003表示，并提供指令給電機(jī)6；電機(jī)6執(zhí)行控制器5的指令，將傳動軸10伸出安裝框18的縮短量用004表示。由于在沒有被動負(fù)剛度元件1作用下外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜荷載變化所引起的響應(yīng)003等于傳動軸的縮短量004，所以靜態(tài)荷載在t1時刻的變化并沒有引起被動負(fù)剛度元件1的兩端產(chǎn)生相對位移，也就是被動負(fù)剛度元件1沒有針對靜態(tài)荷載在t1時刻的變化產(chǎn)生力。所以被動負(fù)剛度元件1起產(chǎn)生的控制力與靜態(tài)荷載701、702無關(guān)。所以被動負(fù)剛度元件1不會影響外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜荷載響應(yīng)，即為不影響外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11的靜態(tài)剛度。

實施例三：

在上述實施例二的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，參考圖13，將車輛被模擬成一個常用的1/4 車輛雙自由度系統(tǒng)，將本發(fā)明的裝置安裝在車輛懸架中，使其與車輛的懸架系統(tǒng)呈并聯(lián)布置，則外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11為車身15，簧下元件為車輛底盤13，車輛底盤13下方安裝著車輛輪胎14，車輛底盤13和車身15之間安裝著降低振動效果的支撐彈簧12和被動阻尼器16。

有關(guān)參數(shù)為，車身15質(zhì)量504.5kg，車輛底盤13和車輛輪胎15質(zhì)量為62kg，懸架承載彈簧的剛度為13.1kN/m，車輛底盤13與地面之間的剛度系數(shù)為252kN/m，輸入激勵為速度白噪聲。被動阻尼器16單獨控制時，阻尼系數(shù)6000Nm/s；本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和被動阻尼器共同控制時，負(fù)剛度系數(shù)為-11kN/m，阻尼系數(shù)2500Nm/s。

參考圖14，可以清楚的知曉車輛在被動阻尼器16控制、以及在本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和被動阻尼器16控制共同作用下輪胎形變的時程響應(yīng)，圖中輪胎形變越小，代表車輛操控性越好。參考圖15，可以清楚的知曉車輛在被動阻尼器16控制、以及在本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和被動阻尼器16共同作用下車身15振動速度的時程響應(yīng)，圖中車身15振動速度越小，代表車輛舒適度越好；由圖15還可以看出，本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置可以極大的提升被動阻尼器16的控制效果。

在車輛的使用過程中，盡管車身15質(zhì)量不變而且可由懸架的承載彈簧承擔(dān)，車輛所承載的靜態(tài)荷載并不是不變的，例如車輛里乘客的質(zhì)量可能發(fā)生變化。當(dāng)乘客質(zhì)量為70kg，懸架承載彈簧為13.1kN/m時，在不同振動控制方法下車身的靜荷載響應(yīng)參考圖16。根據(jù)圖16可以看到，當(dāng)振動控制方法為被動阻尼器16單獨控制時，被動阻尼器16不提供剛度，所以乘客質(zhì)量全部由懸架承載彈簧承擔(dān)，靜荷載響應(yīng)為5cm；當(dāng)振動控制方法為被動負(fù)剛度控制時，由于負(fù)剛度系數(shù)為-11kN/m，所以抵消了部分懸架承載彈簧的剛度，所以會放大由乘客質(zhì)量所造成的靜荷載響應(yīng)，為35cm；當(dāng)振動控制方法為本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和被動阻尼器16共同控制時，由于被動負(fù)剛度元件1不承載靜態(tài)荷載，乘客質(zhì)量的靜荷載依然全部由懸架承載彈簧承受，所以車身15的靜荷載響應(yīng)為5cm。

實施例四：

基于上述實施例三，本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置還可以應(yīng)用到汽車懸架中提升半主動阻尼器17的控制效果。參考圖17，在與實施例三中安裝方式不變的情況下，只改變相關(guān)參數(shù)：車身15質(zhì)量504.5kg，車輛底盤13和車輛輪胎15質(zhì)量為62kg，懸架承載彈簧12剛度為13.1kN/m，車輛底盤13與地面之間的剛度系數(shù)為252kN/m，輸入激勵為速度白噪聲。半主動阻尼器17單獨控制時，阻尼系數(shù)最大為9400Nm/s，最小為4000Nm/s；本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和半主動阻尼器 17共同控制時，負(fù)剛度系數(shù)為-11kN/m，阻尼系數(shù)最大為4400Nm/s，最小為1500Nm/s。

參考圖18，可以清楚的知曉車輛在半主動控制方式、以及在本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和半主動控制方式共同作用下輪胎形變的時程響應(yīng)，圖中輪胎形變越小，代表車輛操控性越好。參考圖19，可以清楚的知曉車輛在半主動控制方式、以及在本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和半主動控制方式共同作用下車身振動速度的時程響應(yīng)，圖中車身振動速度越小，代表車輛舒適度越好；由圖15還可以看出，本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置可以極大的提升半主動阻尼器17的控制效果。

在車輛的使用過程中，盡管車身15質(zhì)量不變而且可由懸架的承載彈簧承擔(dān)，車輛所承載的靜態(tài)荷載并不是不變的，例如車輛里乘客的質(zhì)量可能發(fā)生變化。當(dāng)乘客質(zhì)量為70kg，懸架承載彈簧為13.1kN/m時，在不同振動控制方法下車身的靜荷載響應(yīng)參考圖20。根據(jù)圖20可以知道，當(dāng)振動控制方法為半主動阻尼器17單獨控制時，半主動阻尼器17不提供剛度，所以乘客質(zhì)量全部由懸架承載彈簧承擔(dān)，靜荷載響應(yīng)為5cm；當(dāng)振動控制方法為被動負(fù)剛度和半主動阻尼器17共同控制時，其負(fù)剛度系數(shù)為-11kN/m，所以抵消了部分懸架承載彈簧的剛度，所以會放大由乘客質(zhì)量所造成的靜荷載響應(yīng)，為35cm；當(dāng)振動方法為本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置和半主動阻尼器17共同控制時，由于被動負(fù)剛度元件1不承載靜態(tài)荷載，乘客質(zhì)量的靜荷載依然全部由懸架承載彈簧承受，所以車身15的靜荷載響應(yīng)為5cm。

實施例五：

基于實施例一的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，參考圖21，本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置還可以應(yīng)用到單自由度系統(tǒng)中，如座椅，隔振臺，引擎支架等，將本發(fā)明的裝置安裝到單自由度系統(tǒng)，使其與單自由度系統(tǒng)的剛度元件32、阻尼器33呈并聯(lián)布置。由于單自由度系統(tǒng)質(zhì)量31可能發(fā)生變化，例如，座椅上不同人所造成的質(zhì)量變化，隔振臺上不同設(shè)備所造成的質(zhì)量變化等，本發(fā)明的智能負(fù)剛度裝置中傳感器4會將接收到的信號發(fā)送至控制器5，并由控制器5控制電機(jī)6、啟動元件2、停用元件3，以保護(hù)單自由度系統(tǒng)，使單自由度系統(tǒng)中的動荷載響應(yīng)小，靜荷載響應(yīng)也不會放大。

基于上述五個實施例，需要說明的是：

1)針對被動負(fù)剛度元件1，參考圖6、7，其負(fù)彈簧系數(shù)可以是線性，也可以是非線性的。

2)針對被動負(fù)剛度元件1的結(jié)構(gòu)，參考圖8，被動負(fù)剛度元件本體可以是利用磁鐵間斥力的負(fù)剛度元件，則在安裝框18的相對兩側(cè)面安裝靜磁鐵102， 在相對設(shè)置的兩個靜磁鐵102中部設(shè)置動磁鐵101，且動磁鐵101具有向上設(shè)置的傳動軸10；參考圖9，被動負(fù)剛度元件本體也可以是利用預(yù)屈曲梁111突變特性的負(fù)剛度元件，預(yù)屈曲梁111的中部具有向上設(shè)置的傳動軸10，預(yù)屈曲梁111的兩端向外延伸并固定于安裝框18的兩個相對側(cè)面；參考圖10，被動負(fù)剛度元件本體還可以是利用預(yù)應(yīng)力彈簧121的負(fù)剛度元件，預(yù)應(yīng)力彈簧121的中部具有向上設(shè)置的傳動軸10，預(yù)應(yīng)力彈簧121的兩端向外延伸并固定于安裝框18的兩個相對側(cè)面；實際應(yīng)用中，傳動軸10、安裝框18由非鐵磁材料制造，在被動負(fù)剛度元件本體是上述三種結(jié)構(gòu)中的任一種結(jié)構(gòu)時，啟用元件2與停用原件3可以控制被動負(fù)剛度元件1是否作用，啟動元件2與停用元件3其中一個開啟時，另外一個關(guān)閉。啟用元件2開啟，停用元件3關(guān)閉時，傳動軸10與安裝框18松開，被動負(fù)剛度元件本體起作用；啟用元件2關(guān)閉，停用元件3開啟時，傳動軸10與安裝框18相連，被動負(fù)剛度元件本體不起作用。

3)針對電機(jī)6，參考圖11，電機(jī)6可以選用直線電機(jī)610，此時，直線電機(jī)610的安裝軌道611向下連接于地面或簧下元件19，且直線電機(jī)611的軸端向上連接于安裝框18底部，或者，直線電機(jī)610的安裝軌道611向下連接于傳動軸10，且直線電機(jī)610的軸端向上連接于外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11；參考圖12，電機(jī)6也可以選用轉(zhuǎn)動電機(jī)620，轉(zhuǎn)動電機(jī)620設(shè)置于地面或簧下元件19，且轉(zhuǎn)動電機(jī)620的軸端通過齒輪321齒條322外嚙合向上連接于被動負(fù)剛度元件1的安裝框18，或者，轉(zhuǎn)動電機(jī)620的軸端通過齒輪321齒條322外嚙合連接傳動軸10和外部承受靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)或簧上元件11。

最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管該具體實施方式部分對本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。