CN104455203A - 惯质系数两级可调式惯容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种惯质系数两级可调式惯容器，包括上吊耳、飞轮室、滚珠丝杆、行程室、飞轮、丝杆螺母、下吊耳，所述飞轮内设有数个均匀分布的径向管状导槽，所述导槽内设置有能够径向移动的磁体子，所述飞轮的外圈设置有与外部电源电连接的环形磁铁线圈，所述外部电源能够提供方向相反的直流电。本发明以改变飞轮转动惯量为技术出发点，通过改变外部电源的电流大小与方向，即可实现对惯容器惯质系数的可控，使其在“大”、“小”两种惯质系数的工作状况下切换。实现装置结构简单，控制调节机构工作稳定性强。

Description

惯质系数两级可调式惯容器

技术领域

本发明涉及一种惯容器装置，尤其是一种惯质系数两级可调的惯容器。

背景技术

“惯质”的概念最早由英国剑桥大学Smith学者提出，基于“力-电流”的第二类机电相似性理论，惯容器被定义为一种两端点元件，施加在其两端点的力与两端点的相对加速度成正比。其动力学表达式为：，F为施加在惯容器两端点的力，v1，v2为两端点的速度，b被定义为惯质系数，它是表征惯容器的重要物理量。

惯容器的诞生解决了质量元件必须以地心为参考系的单端点难题，由“惯容器-弹簧-阻尼器”组成的新型机械隔振网络被广泛应用在车辆悬架隔振、建筑物隔振及高性能摩托车转向补偿领域。目前，惯容器较为成熟的实现形式有机械式与液压式，机械式中又包含滚珠丝杆式与齿轮齿条式，其结构特点均是通过运动转换机构将质量块或飞轮的质量进行放大，由此获取较大的“虚质量”，实现对惯性质量的封装。然而，随着磁流变液/电流变液等新型液体材料的出现以及空气弹簧技术的日益进步，工程上实现了对弹簧刚度及阻尼系数的可控，而惯容器仍停留在被动不可变阶段，因此，实现惯容器惯质系数的可变及可控迫在眉睫。

中国专利201110295740.9公开了一种可变惯质系数的齿轮齿条式惯容器装置，其通过安装在飞轮槽上质量块的移动改变飞轮转动惯量的大小，实现惯质系数的可变，且可有效克服大载荷冲击作用，然而，却未能实现惯质系数的可控。中国专利201310686427.7公开了一种可控惯容和阻尼磁流变惯容器装置及控制方法，利用磁流变液从缸体左腔经细长管流向右腔时产生的巨大惯性效应来设计惯容器，并通过改变细长管管径调节惯容器的惯质系数，具有较高的研究价值，但是应用磁流变液的惯容器与阻尼器耦合机理较为复杂，且其模型的非线性较强，惯质系数与阻尼系数的控制原理仍在进一步探索中。

发明内容

为了解决已成惯容器的惯质系数不可变的难题，本发明提出一种惯质系数两级可调式惯容器，满足工程实际应用。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

惯质系数两级可调式惯容器，包括上吊耳、飞轮室、滚珠丝杆、行程室、飞轮、丝杆螺母、下吊耳，所述上吊耳与飞轮室的上端铰接，飞轮位于飞轮室内、且固定在滚珠丝杆的上端，所述滚珠丝杆另一端伸出飞轮室、并延伸入行程室内，丝杆螺母固定在行程室的上端面内壁上、且与滚珠丝杆啮合，下吊耳铰接在行程室的下端面上；其特征在于，所述飞轮内设有数个均匀分布的径向管状导槽，所述导槽内设置有能够径向移动的磁体子，所述飞轮的外圈设置有与外部电源电连接的环形磁铁线圈，所述外部电源能够提供方向相反的直流电。

进一步地，所述飞轮与滚珠丝杆之间通过键连接，所述滚珠丝杆的端部装有位于飞轮上部的压紧螺母。

进一步地，飞轮下端与飞轮室之间设有装于滚珠丝杆上的轴承。

进一步地，所述多个导槽内的磁体子为等质量的永磁体，且磁极均为径向同向分布。

进一步地，所述上吊耳安装在振源上连接点，下吊耳安装在振源下连接点。

本发明以改变飞轮转动惯量为技术出发点，利用滚珠丝杆副传动机构将上下往复的直线运动转换为飞轮的旋转运动，获取较大的惯性力，达到惯容器的实现效果。外端电路的线圈与环形磁铁线圈相连，在电流的作用下，环形磁铁线圈将产生径向分布的磁极，当环形磁铁线圈的内环磁极与磁体子产生斥力时，磁体子均分布在中心部位，此时转动惯量较小，当环形磁铁线圈的内环磁极与磁体子产生斥力时，磁体子均分布在飞轮边缘部位，此时转动惯量较大。改变外端电路的电流大小与方向，即可实现惯容器转动惯量在“大”、“小”两级工作模式的切换，实现惯质系数可控。

本发明的有益效果是：仅仅通过改变外部电源的电流大小与方向，即可实现对惯容器装置惯质系数的可控，使其在“大”、“小”两种惯质系数的工作状况下切换。实现装置结构简单，控制调节机构工作稳定性强。

附图说明

图1为本发明所述惯质系数两级可调式惯容器的结构图。

图2为所述飞轮的径向截面图。

图中：

1.上吊耳，2.飞轮室，3.环形磁铁线圈，4.滚珠丝杆，5.行程室，6.压紧螺母，7.线圈通孔，8.飞轮，9.轴承，10.丝杆螺母，11.下吊耳，12.导槽，13.磁体子。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2所示，本发明所述的惯质系数两级可调式惯容器，包括上吊耳(1)、飞轮室(2)、滚珠丝杆(4)、行程室(5)、飞轮(8)、丝杆螺母(10)、下吊耳(11)。所述上吊耳(1)与飞轮室(2)的上端铰接，飞轮位于飞轮室内、且固定在滚珠丝杆的上端，飞轮可在滚珠丝杆的的带动下转动。具体的，飞轮8与滚珠丝杆4通过键连接，在所述滚珠丝杆的端部装有位于飞轮上部的压紧螺母(6)，实现飞轮的定位。

飞轮(8)下端与飞轮室(2)之间设有装于滚珠丝杆(4)上的轴承(9)，轴承(9)内环与滚珠丝杆(4)共同转动，用于对滚珠丝杆(4)径向定位。

所述滚珠丝杆另一端伸出飞轮室、并延伸入行程室内，丝杆螺母(10)固定在行程室的上端面内壁上、且与滚珠丝杆啮合，下吊耳铰接在行程室的下端面上。

在安装时，上吊耳1安装在振源上连接点，下吊耳11安装在振源下连接点。当上吊耳1与下吊耳11之间产生往复直线运动时，丝杆螺母10经滚珠丝杆副将运动转换为滚珠丝杆4与飞轮8的旋转运动，可获取较大的转动惯性力，飞轮8的质量被“封装”，由此实现惯容器的物理效果。

如图2所示，所述飞轮内设有数个均匀分布的径向管状导槽，所述导槽内设置有能够径向移动的磁体子，所述多个导槽内的磁体子(13)为等质量的永磁体，且磁极均为径向同向分布。所述飞轮的外圈设置有与外部电源电连接的环形磁铁线圈，所述外部电源能够提供方向相反的直流电。具体的，本实施例中，在飞轮中心位置设置线圈通孔7，所述环形磁铁线圈3经由线圈通孔7连接外部电源。

滚珠丝杆式惯容器惯质系数与转动部件的转动惯量和滚珠丝杆副的螺距有关，如下式所示：

$b=I{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{P}\right)}^2$

其中，b为惯质系数，P为滚珠丝杆副的螺距，I为旋转部件的转动惯量。当滚珠丝杆的螺距确定后，惯质系数的大小与转动部件的转动惯量成正比。

外部电源与环形磁铁线圈相连，在电流的作用下，环形磁铁线圈将产生径向分布的磁极，当环形磁铁线圈的内环磁极与磁体子产生斥力时，磁体子均分布在中心部位，此时转动惯量较小，当环形磁铁线圈的内环磁极与磁体子产生斥力时，磁体子均分布在飞轮边缘部位，此时转动惯量较大。改变外端电路的电流大小与方向，即可实现惯容器转动惯量在“大”、“小”两级工作模式的切换，实现惯质系数可控。

下面结合理论推导对实例做进一步分析说明：

假设磁体子13均是N级指向轴心。

当处于运动状态下，飞轮8随着滚珠丝杆4一起做旋转运动，在离心力的作用下，磁体子13处于飞轮8的外端边缘位置，此时飞轮8的转动惯量较大。但由于离心力并不稳定，飞轮8的转动惯量大小并不受控制，因此，定义此时的状态为非控制模式。

当需要系统提供“小”惯质系数时，改变外部电源的电流大小与方向，使得布置于飞轮8内部外环的环形磁铁线圈3产生径向的磁极属性，且内环为S级，由于异名磁极相互吸引，当引力大于离心力作用时，磁体子13均被吸附在导槽12里端位置，飞轮8的转动惯量较小，此时系统工作在“小”惯质系数模式下。

当需要系统提供“大”惯质系数时，再次改变外部电源的电流大小与方向，使得布置于飞轮8内部外环的环形磁铁线圈3产生径向的磁极属性，且内环为N级，由于同名磁极相互排斥，磁体子13均在排斥力的作用下移动至导槽12的外端位置，飞轮8的转动惯量较大，此时系统工作在“大”惯质系数模式下。

现有技术中针对惯容器惯质系数的可变与可控研究较少，实现惯质系数的可控不仅结构原理复杂，且控制系统成本昂贵，机理深奥。本发明仅仅通过改变外端电路电流的大小与方向，即可实现对惯容器装置惯质系数的可控，实现惯质系数“大”、“小”两级工作模式的切换与控制，原理简单，方案易行。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.惯质系数两级可调式惯容器，包括上吊耳(1)、飞轮室(2)、滚珠丝杆(4)、行程室(5)、飞轮(8)、丝杆螺母(10)、下吊耳(11)，所述上吊耳(1)与飞轮室(2)的上端铰接，飞轮位于飞轮室内、且固定在滚珠丝杆的上端，所述滚珠丝杆另一端伸出飞轮室、并延伸入行程室内，丝杆螺母(10)固定在行程室的上端面内壁上、且与滚珠丝杆啮合，下吊耳铰接在行程室的下端面上；其特征在于，所述飞轮内设有数个均匀分布的径向管状导槽，所述导槽内设置有能够径向移动的磁体子，所述飞轮的外圈设置有与外部电源电连接的环形磁铁线圈，所述外部电源能够提供方向相反的直流电。

2.根据权利要求1所述的惯质系数两级可调式惯容器，其特征在于，所述飞轮与滚珠丝杆之间通过键连接，所述滚珠丝杆的端部装有位于飞轮上部的压紧螺母(6)。

3.根据权利要求1所述的惯质系数两级可调式惯容器，其特征在于，飞轮(8)下端与飞轮室(2)之间设有装于滚珠丝杆(4)上的轴承(9)。

4.根据权利要求1所述的惯质系数两级可调式惯容器，其特征在于，所述多个导槽内的磁体子(13)为等质量的永磁体，且磁极均为径向同向分布。

5.根据权利要求1所述的惯质系数两级可调式惯容器，其特征在于，所述上吊耳(1)安装在振源上连接点，下吊耳(11)安装在振源下连接点。