CN101956799A - 摆线钢球式惯性质量蓄能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆线钢球式惯性质量蓄能器，涉及转动型惯性质量蓄能器技术领域，包括摆线钢球减速器(7)和惯性体(8)；摆线钢球减速器(7)包括输入轴(9)、摆线钢球传动机构、输出轴(16)、壳体(17)和预紧螺母(21)；惯性体(8)为均质的回转体，所述惯性体(8)上设有中心孔，摆线钢球减速器(7)的输入轴(9)穿过中心孔与惯性体(8)同轴固定连接。本发明是理想的替代转动质量元件的转动型机械元件，可使转动型机械网络与电子网络严格对应起来。

Description

摆线钢球式惯性质量蓄能器

技术领域

本发明涉及转动型惯性质量蓄能器技术领域，特指摆线钢球式惯性质量蓄能器。

背景技术

近年来，机电系统整合成为科技发展的一个重要方向。机械与电子网络存在两种对应关系，一种是“力-电压”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电感、电阻和电容对应，另一种是“力-电流”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电容、电阻和电感对应。上述机械网络元件为平动型元件，转动型机械网络元件同样与电子网络元件存在对应关系，在力-电流对应中，转动质量、扭转阻尼和扭转弹簧分别与电容、电阻和电感对应。

在机械网络中，弹簧和阻尼元件具有两个端点。然而，质量元件的加速度却必须对地测量，换而言之，即牛顿第二定律给质量元件限定了参考系。由于质量的一个端点必须是惯性参考系，因此质量元件不是一个严格意义上的两端点元件。同样，转动质量(转动惯量)元件也不是一个严格意义的两端点元件，如图1所示。

另一方面，具有两个端点的电阻、电感和电容却不为参考点所限制。因此，电子元件要与质量、转动质量元件对应起来，就必须有一个端点作为参考点接地，这使得机械与电子网络之间的对应不是严格意义上的对应。这极大地限制了设计机电系统时的自由性和灵活度，更糟糕的是，长期以来积累的大量的电子网络理论和研究电子网络的方法不能应用于机械网络的分析与综合。不仅如此，这种不严格的对应还限制了被动机械网络的性能。因此，必须找到严格意义上的两端点机械元件来替代质量元件和转动质量元件，如图2所示。

中国专利200810123830.8公开了一种惯性质量蓄能器，它是一种具有两个端点的机械元件。用它替代质量元件后，平动机械网络与电子网络就严格对应起来，因此许多电子系统的概念可以直接运用于机械系统，包括汽车悬架系统、车辆转向系统、火车悬架系统、建筑隔振系统、直升机隔振系统、动力吸振装置等等。除此以外，该专利还公开了一种齿轮齿条惯性质量蓄能器，如图3所示，包括箱体1、惯性体2、齿轮轴A3、大齿轮4、齿轮轴B5和齿条6，其中齿条6置于箱体上的燕尾槽内，同齿轮轴B5相啮合，大齿轮4与齿轮轴B5同轴相联，与齿轮轴A3相啮合，惯性体2则与齿轮轴A3同轴相联。当外力以方向A或B施加于箱体1和齿条6的末端时，齿条6相对于箱体1会产生相对位移，带动齿轮轴B5、大齿轮4和齿轮轴A3旋转，进而驱动惯性体2旋转。事实上，在运动过程中，齿条6将相对于箱体1做直线运动，而且齿条6和箱体1就是齿轮齿条惯性质量蓄能器的两个端点。齿轮齿条惯性质量蓄的动力学方程为f＝b·a，其中f、a和b分别表示施加在两端点上的力、两端点的相对加速度和惯性质量系数，惯性质量系数可由齿轮组的转动惯量和半径以及惯性体的转动惯量计算出。根据动力学方程，改变惯性体和齿轮组的尺寸便可得到具有合适惯性质量系数的齿轮齿条惯性质量蓄能器。齿轮齿条惯性质量蓄能器克服了机械与电子网络之间不能严格对应的缺点。

尽管很容易设计出齿轮齿条惯性质量蓄能器，但齿轮在啮合时齿间的摩擦力却很大，更严重的问题是齿间存在背隙。由于背隙的存在，在高速旋转换向时会导致迟滞现象和相位的滞后。然而，如果尝试通过调整中心距来减小背隙时，却又会增大齿间的摩擦力。

具有两个端点的元件一齿轮齿条惯性质量蓄能器虽然克服了质量元件参考点接地的限制，使得平动型机械网络与电子网络严格地对应起来，然而，至今仍然还没有找到一种转动型机械元件来克服转动质量元件参考点接地的限制，使转动型机械网络与电子网络也严格地对应起来。并且该转动型机械元件还不能采用齿轮做为传动机构，因为齿轮传动机构存在背隙，会使得实际的转动型机械元件与理想元件的性能相差甚远。因此，找到一种理想的、没有摩擦的、不消耗系统能量的转动型机械元件来克服转动质量元件参考点接地的限制，使转动型机械网络与电子网络也严格地对应起来，显得尤为迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种摆线钢球式惯性质量蓄能器替代转动质量元件，从而使转动型机械网络与电子网络严格对应；采用摆线钢球传动减小摩擦力和系统能量消耗使摆线钢球式惯性质量蓄能器更接近理想元件；通过对摆线钢球传动机构预紧的方法消除由于采用齿轮传动所带来的背隙问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：将惯性体同轴固定连接于摆线钢球减速器的输入轴，将摆线钢球减速器输出轴和壳体作为施加转矩的两个输入端，便得到了一种能替代转动质量元件，使转动型机械网络与电子网络严格对应的转动型机械元件——摆线钢球式惯性质量蓄能器。

本发明具体技术方案为，摆线钢球式惯性质量蓄能器包括摆线钢球减速器和惯性体。

惯性体为均质的圆柱状、圆盘状或带有环槽的圆柱状或圆盘状回转体。惯性体上设有中心孔，摆线钢球减速器的输入轴穿过中心孔与惯性体同轴固定连接，惯性体与摆线钢球减速器的输入轴的连接方式可选取平键、矩形花键、渐开线花键、螺纹或螺母压紧的圆锥面过盈连接。

根据输入轴与惯性体连接方式的不同，惯性体的中心孔为设有两个对称平键槽的圆孔、设有矩形内花键的圆孔、设有渐开线内花键的圆孔、设有内螺纹的圆孔或设有锥形的圆孔。

摆线钢球式减速器包括输入轴、摆线钢球传动机构、输出轴、壳体和预紧螺母。

输入轴装在轴承A内，并通过轴承C架在输出轴上，其偏心部位套装轴承B。根据输入轴与惯性体连接方式的不同，输入轴伸出壳体一端的轴头为圆形或末端带有螺纹的锥形，圆形的轴头上设有对称的平键槽、矩形外花键槽、渐开线外花键槽或外螺纹。

摆线钢球传动机构包括轴承A、中心盘、轴承B、钢球A、行星盘、钢球B、轴承C、轴承D、轴承E。与壳体固连的中心盘装在轴承A上，其左端面上设有波数为z₁的外摆线封闭槽；行星盘装在轴承B上，其右端面上设有波数为z₂的内摆线封闭槽，左端面上设有波数为z₃的内摆线封闭槽；通过轴承D、轴承E支承在壳体上的输出轴，其右端为盘形，盘形面上设有波数为z₄的外摆线封闭槽；在封闭槽z₁、z₂相交错的区域内装有钢球A，其中z₂-z₁＝2，钢球数为(z₁+z₂)/2；在封闭槽z₃、z₄相交错的区域内装有钢球B，其中z₃-z₄＝2，钢球数为(z₃+z₃)/2；封闭槽z₁、z₂和钢球A组成啮合副，封闭槽z₃、z₄和钢球B组成另一个啮合副。

输出轴在壳体内部的一端为盘状，伸出壳体一端的轴头为圆形，其上设有两个对称的平键槽，保证输出轴作为摆线钢球式惯性质量蓄能器的转矩输入端，有效输入转矩。

壳体为薄壁回转体，支撑输出轴的一端为锥形薄壁回转体，支撑输入轴的一端为圆形薄壁回转体，锥形薄壁回转体与圆形薄壁回转体交界的壳壁上设有以回转中心轴为中心轴的均布螺纹盲孔，数量为6-10个，保证壳体作为摆线钢球式惯性质量蓄能器的另一个转矩输入端，有效输入转矩。

预紧螺母，一端为空心六方体，供扳手加力，另一端为空心圆柱体，外圆上设有外螺纹，与设于壳体锥形薄壁回转体部分的内螺纹相旋合，旋进预紧螺母可对摆线钢球传动机构施加预紧力，消除摆线钢球传动机构的背隙，保证摆线钢球式惯性质量蓄能器的性能接近于理想元件。

本发明中壳体的材料为铸铁，其它部件均为钢材。

根据本发明提供的摆线钢球式惯性质量蓄能器，当转矩施加在输出轴和壳体上时，输出轴会相对于壳体产生相对角位移，输出轴通过摆线钢球传动机构带动输入轴旋转，进而带动惯性体旋转，从而获得摆线钢球式惯性质量蓄能器的特征；采用摆线钢球传动要比采用齿轮传动背隙小得多，且可以通过对摆线钢球传动预紧的方法消除背隙；此外，且摆线钢球传动属滚动摩擦，摩擦力很小。因此，摆线钢球式惯性质量蓄能器是近似理想的替代转动质量元件的转动型机械元件，从而使转动型机械网络与电子网络严格对应起来。

附图说明

图1为机械与电子网络元件对应关系图；

图2为机械与电子网络元件严格对应关系图；

图3为齿轮齿条惯性质量蓄能器结构示意图；

图4为摆线钢球式惯性质量蓄能器结构示意图；

图5为摆线钢球减速器结构示意图。

图中，1-箱体 2-惯性体 3-齿轮轴A 4-大齿轮 5-齿轮轴B 6-齿条 7-摆线钢球减速器 8-惯性体 9-输入轴 10-轴承A 11-中心盘 12-轴承B 13-钢球A 14-行星盘 15-钢球B 16-输出轴 17-壳体 18-轴承C 19-轴承D 20-轴承E 21-预紧螺母

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括摆线钢球减速器7和惯性体8。

惯性体8为均质的圆柱状、圆盘状或带有环槽的圆柱状或圆盘状回转体。惯性体8上设有中心孔，摆线钢球减速器7的输入轴9穿过中心孔与惯性体8同轴固定连接，惯性体8与摆线钢球减速器7的输入轴9的连接方式可选取平键、矩形花键、渐开线花键、螺纹或螺母压紧的圆锥面过盈连接。

根据输入轴9与惯性体8连接方式的不同，惯性体8的中心孔为设有带有两个对称平键槽的圆孔、矩形内花键圆孔、渐开线内花键圆孔、内螺纹中心孔或锥形圆孔。

摆线钢球减速器包括输入轴9、摆线钢球传动机构、输出轴16、壳体17和预紧螺母21。

输入轴9装在轴承A10内，并通过轴承C18架在输出轴16上，其偏心部位套装轴承B12。根据输入轴9与惯性体8连接方式的不同，输入轴9伸出壳体17一端的轴头为圆形或末端带有螺纹的锥形，圆形的轴头上设有两个对称的平键槽、矩形外花键槽、渐开线外花键槽或外螺纹。

摆线钢球传动机构包括轴承A10、中心盘11、轴承B12、钢球A13、行星盘14、钢球B15、轴承C18、轴承D19、轴承E20。与壳体17固连的中心盘11装在轴承A10上，其左端面上设有波数为z₁的外摆线封闭槽；行星盘14装在轴承B12上，其右端面上设有波数为z₂的内摆线封闭槽，左端面上设有波数为z₃的内摆线封闭槽；通过轴承D19、轴承E20支承在壳体17上的输出轴16，其右端为盘形，盘形面上设有波数为z₄的外摆线封闭槽；在封闭槽z₁、z₂相交错的区域内装有钢球A13，其中z₂-z₁＝2，钢球数为(z₁+z₂)/2；在封闭槽z₃、z₄相交错的区域内装有钢球B15，其中z₃-z₄＝2，钢球数为(z₃+z₃)/2；封闭槽z₁、z₂和钢球A13组成啮合副，封闭槽z₃、z₄和钢球B15组成另一个啮合副。

输出轴16在壳体17内部的一端为盘状，伸出壳体17一端的轴头为圆形，其上设有两个对称的平键槽。

壳体17为薄壁回转体，支撑输出轴16的一端为锥形薄壁回转体，支撑输入轴9的一端为圆形薄壁回转体，锥形薄壁回转体与圆形薄壁回转体交界的壳壁上设有以回转中心轴为中心轴的均布螺纹盲孔，数量为6-10个。

预紧螺母21，一端为空心六方体，供扳手加力，另一端为空心圆柱体，外圆上设有外螺纹，与设于壳体17锥形薄壁回转体部分的内螺纹相旋合。

下面结合附图对本发明具体实施过程作进一步说明。

如图5所示，输入轴9以等角速度ω₉转动，带动行星盘14做行星运动；行星盘14右端面上的封闭槽z₂推动钢球A13运动，钢球A13受固定中心盘11上封闭槽z₁的约束反推中心盘11以ω₁₁减速运动；与此同时，中心盘11左端面上封闭槽z₃推动钢球B15运动，通过轴出轴16的盘上的封闭槽z₄把行星盘14的运动再一次减速，并以等角速度ω₁₆经输出轴16输出。在以上的运动过程中，输入轴9作为输入端，输出轴16作为输出端，这个过程是一个减速的过程；反之，输出轴16作为输入端，输入轴9作为输出端，则运动过程是一个增速的过程。摆线钢球传动不仅可以大幅度降低摩擦力，还可以通过预紧螺母21对摆线钢球传动机构施加预紧力，消除摆线钢球传动机构的背隙，保证摆线钢球式惯性质量蓄能器的性能接近于理想元件。

如图4所示，当转矩T以相反的方向施加于输出轴16和壳体17上时，输出轴16会相对于壳体17产生相对角位移，输出轴16通过摆线钢球传动机构带动输入轴9旋转，进而驱动惯性体8旋转。相对角位移可以是正方向也可以是负方向，使惯性体8以顺时针或逆时针方向旋转。

根据刚体转动定律，可以分析输出轴16相对于壳体17产生的相对角位移与所加转矩T的关系。输出轴16和壳体17可以被认为是摆线钢球式惯性质量蓄能器两个端点，如果θ是由于施加于输出轴16和壳体17上的等大反向的转矩T而引起的相对角位移，那么根据刚体转动定律可以得出下面的方程：

$T=n^2\·I\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=r\·\mathrm{\α}$

这里α是两个端点的相对角加速度，I是输入轴和惯性体的总转动惯量，n是摆线钢球减速器的减速比，r是转动惯性质量系数。根据这个方程，可以通过调整惯性体的转动惯量和减速比来设计出一个具有所需转动惯性质量系数的摆线钢球式惯性质量蓄能器。并且，由于位移θ是两端点的相对位移，角加速度α也是两端点的相对加速度，因此可以得到下面的方程：

T＝r(α₂-α₁)

这里α₁和α₂是两个端点的绝对加速度。方程显示出本发明是一种具有两个端点的转动型机械元件，且端点不必作为参考点接地，从而使转动型机械网络与电子网络严格地对应了起来。

Claims (6)

1.一种摆线钢球式惯性质量蓄能器，其特征在于，包括摆线钢球减速器(7)和惯性体(8)；所述摆线钢球减速器(7)包括输入轴(9)、摆线钢球传动机构、输出轴(16)、壳体(17)和预紧螺母(21)；所述壳体(17)为薄壁回转体，支撑输出轴(16)的一端为锥形薄壁回转体，支撑输入轴(9)的一端为圆形薄壁回转体，锥形薄壁回转体与圆形薄壁回转体交界的壳壁上设有以回转中心轴为中心轴的均布螺丝盲孔，数量为6-10个；所述输入轴(9)伸出壳体(17)一端的轴头为圆形或末端带有螺纹的锥形；所述惯性体(8)为均质的回转体，所述惯性体(8)上设有中心孔，所述摆线钢球减速器(7)的输入轴(9)穿过中心孔与惯性体(8)同轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的摆线钢球式惯性质量蓄能器，其特征在于，所述惯性体(8)与摆线钢球减速器(7)的输入轴(9)的连接方式为平键、矩形花键、渐开线花键、螺纹或螺母压紧的圆锥面过盈连接。

3.根据权利要求1所述的摆线钢球式惯性质量蓄能器，其特征在于，所述惯性体(8)的中心孔为设有两个对称平键槽的圆孔、设有矩形内花键的圆孔、设有渐开线内花键的圆孔、设有内螺纹的圆孔或设有锥形的圆孔。

4.根据权利要求1所述的摆线钢球式惯性质量蓄能器，其特征在于，所述惯性体(8)为圆柱状、圆盘状或者带有环槽的圆柱状或圆盘状。

5.根据权利要求1和2所述的摆线钢球式惯性质量蓄能器，其特征在于，所述输入轴(9)伸出壳体(17)一端的圆形轴头上设有两个对称的平键槽、矩形外花键槽、渐开线外花键槽或外螺纹。

6.根据权利要求1和2所述的摆线钢球式惯性质量蓄能器，其特征在于，所述壳体(17)的材料为铸铁，其它部件均为钢材。

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