CN105626802B - 带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置 - Google Patents

带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏心飞轮的运动转换器及带有该运动转换器的减振装置，属于振动控制领域，所述运动转换器包括转换器壳体、受力可移动的齿条、第一小齿轮、第二小齿轮、大齿轮和偏心飞轮；所述齿条与第一小齿轮相啮合，所述第一小齿轮和大齿轮同轴设置；所述大齿轮和第二小齿轮相啮合，所述第二小齿轮和偏心飞轮同轴设置；所述第一小齿轮和大齿轮之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体上，所述第二小齿轮和偏心飞轮之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体上；所述带有该运动转换器的减振装置包括运动转换器、阻尼器和弹簧；所述运动转换器、阻尼器和弹簧并联设置；本发明的优点是结构简单、减震效果显著。

Description

带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置
技术领域
本发明涉及一种基于偏心飞轮的运动转换器及带有该运动转换器的减振装置，属于振动控制领域。
背景技术
2002年，英国剑桥大学的Smith教授通过对传统机电模拟理论的研究，提出“惯容”概念，发明了一种封装质量的装置。该装置是一种以惯性实现“虚质量”的机械元件。惯容器代替传统质量元件后，形成新的机电模拟理论，使得相应的机械系统和电路系统完全对应模拟。Smith教授给出了惯容器的物理定义和动力学方程，设计出齿轮齿条式惯容器，研究了惯容器在动力吸振系统、车辆悬架系统中的应用问题，并介绍了运用网络综合理论设计机械网络的一般方法。
现有的齿轮齿条式惯容器的工作原理是：当等大反向的力作用于沿齿条方向时，齿条相对于箱体产生相对位移，齿条驱动第一小齿轮、大齿轮以及第二小齿轮旋转，从而驱动飞轮旋转，由此实现飞轮惯性的封装。
通过对惯容器结构分析，这些装置具有三个共同的特点：第一，所有的这些机构和装置本质上都是一种力放大机构；第二，都利用了质量或飞轮的惯性；第三，都具有两个独立、自由的端点，这一点也是惯容器元件区别于质量和转动惯量元件的最根本的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、减震效果显著的基于偏心飞轮的运动转换器及带有该运动转换器的减振装置。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于偏心飞轮的运动转换器，其关键技术在于：其包括转换器壳体、受力可移动的齿条、第一小齿轮、第二小齿轮、大齿轮和偏心飞轮；所述齿条与第一小齿轮相啮合，所述第一小齿轮和大齿轮同轴设置；所述大齿轮和第二小齿轮相啮合，所述第二小齿轮和偏心飞轮同轴设置；所述第一小齿轮和大齿轮之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体上，所述第二小齿轮和偏心飞轮之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体上。
进一步的，所述基于偏心飞轮的运动转换器还包括设置在所述齿条上端的上 吊环和设置在所述转换器壳体底部的下吊环。
一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其包括基于偏心飞轮的运动转换器、阻尼器和弹簧；所述运动转换器、阻尼器和弹簧并联设置，且所述运动转换器、阻尼器和弹簧的两端分别接在质量块和地之间。
一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其包括基于偏心飞轮的运动转换器、阻尼器和弹簧；所述运动转换器、阻尼器和弹簧并联设置，且所述阻尼器和弹簧的两端分别接在质量块和地之间；所述运动转换器的两端分别通过上吊环和下吊环与质量块和地相连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明的设计思路是根据惯容器是一种力放大机构的本质，同时又根据偏心轮转动时的激振效果，设计出了一种偏心飞轮的运动转换器。
所述基于偏心飞轮的运动转换器安装在传统的减振装置中，与弹簧和阻尼器并联，通过理论计算和仿真实验，基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置可以加宽系统在共振区的频率范围，从而减小在共振区的幅值；通过仿真计算，基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置具有良好的减振效果。
与传统的减振装置相比，带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置有以下优点：在激振力很小，相对于传统的加惯容的系统在参数一定的情况下，共振峰后移，有较宽共振峰，且共振幅值非常小；在激振力很大，相对于传统的加惯容的系统在参数一定的情况下，共振峰衰减成宽频低振幅的曲线。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明中基于偏心飞轮的运动转换器的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是本发明中带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置的结构示意图。
图4是在激振力为250N时，安装基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置与无惯容、加惯容系统的幅频曲线对比图。
图5是在激振力为2000N时，安装基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置与无惯容、加惯容系统的幅频曲线对比图。
其中，1齿条、2转换器壳体、3偏心飞轮、4上吊环、5第一小齿轮、6大齿轮、7第二小齿轮、8下吊环、9基于偏心飞轮的运动转换器、10阻尼器、11质量块、12弹簧。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-5和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
如图1～图3所示，一种基于偏心飞轮的运动转换器，其包括转换器壳体2、受力可移动的齿条1、第一小齿轮5、第二小齿轮7、大齿轮6和偏心飞轮3；所述齿条1与第一小齿轮5相啮合，所述第一小齿轮5和大齿轮6同轴设置；所述大齿轮6和第二小齿轮7相啮合，所述第二小齿轮7和偏心飞轮3同轴设置；所述第一小齿轮5和大齿轮6之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体2上，所述第二小齿轮7和偏心飞轮3之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体2上。
进一步的，所述基于偏心飞轮的运动转换器还包括设置在所述齿条1上端的上吊环4和设置在所述转换器壳体2底部的下吊环8。
将所述弹簧12、阻尼器10和基于偏心飞轮的运动转换器9一起并联在质量块11和地面之间，给予质量块11一定频率的激振力。
一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其包括基于偏心飞轮的运动转换器9、阻尼器10和弹簧12；所述运动转换器9、阻尼器10和弹簧12并联设置，且所述运动转换器9、阻尼器10和弹簧12的两端分别接在质量块11和地之间。
一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其包括基于偏心飞轮的运动转换器9、阻尼器10和弹簧12；所述运动转换器9、阻尼器10和弹簧12并联设置，且所述阻尼器10和弹簧12的两端分别接在质量块11和地之间；所述运动转换器9的两端分别通过上吊环4和下吊环8与质量块11和地相连接。
本发明的工作过程及原理如下：
当齿条1上下移动时，带动与其啮合的第一小齿轮5转动，通过第一小齿轮 5传动，带动和其同轴的大齿轮6，所述大齿轮6通过旋转带动与其啮合的第二小齿轮7，所述第二小齿轮7带动与其同轴的偏心飞轮3，带动偏心飞轮3转动。所述偏心飞轮3在转动时由于受到重力的作用，会给质量块11一定频率的反作用力，同时，由于此第一小齿轮5、大齿轮6、第二小齿轮7和齿条1传动存在较大的传动比，所以较小的偏心飞轮3会给质量块11一个较大的作用力。
进一步地，第一小齿轮5、大齿轮6、第二小齿轮7和齿条1可以是不同半径或者更多的齿轮形式相啮合，从而来实现不同的传动比，偏心飞轮3的偏心距也可以是不同的值。
将基于偏心飞轮的运动转换器9应用于减振系统中，其中，阻尼器10上端连接质量块11下端接地，弹簧12上端连接质量块11下端接地，带有偏心飞轮的运动转换器9的齿条1连接质量块11，转换器壳体2接地。
进一步的，弹簧12、阻尼器10、运动转换器9也可以是其他组合形式。
根据拉格朗日方程，可以求出该系统的数学表达式(1)：
其中，M为质量块的质量；
m为偏心飞轮的质量；
I为偏心飞轮的转动惯量；
r1为第一小齿轮的半径；
r2为大齿轮的半径；
r3为第二小齿轮的半径；
g为重力加速度；
e为偏心飞轮的偏心距；
f为激振力的振幅；
ω为激振力的频率。
给予参数赋值，进行数值仿真计算：
表1无减振装置的系统参数列表
表2加惯容减振的系统参数列表
表3加运动转换器装置的系统参数
给予各项参数以后，在MATLAB进行仿真计算，图4和图5是质量块分别在激振力振幅为250N和2000N，激振频率为0rad/s-20rad/s的幅频曲线。
图4为无惯容、加惯容和加本装置的系统在激振力为200N时的幅频曲线的对比。由图4可知，原系统在加上惯容器以后，固有频率向低频方向移动，共振峰值有所下降；而在原系统加上本装置之后，系统的固有频率衰减成了宽频的共振峰，共振峰值也明显减小。由于激振力很小，偏心飞轮没有形成整周运动，所以共振发生在了高频区。
图5为无惯容、加惯容和加本装置的系统在激振力为2000N时的幅频曲线的对比。由图5可知，原系统与加惯容器系统相对比，与图4类似，固有频率向低频方向移动；而在原系统加上本装置之后，由于激振力很大，偏心飞轮形成了整周运动，本装置既有惯容器的提供“虚质量”的作用，又有了偏心飞轮提供激振力的作用。从幅频曲线可以看出，加本装置的系统在共振区衰减成了宽频的共振峰，且共振峰值相对较小。
通过与传统的减振系统对比可知，由于偏心飞轮对系统的反向激振力的影响，系统的共振幅值有明显的减小。
与传统的减振装置相比，本装置有以下特点：
(1)在激振力很小，相对于传统的加惯容的系统在参数一定的情况下，共振峰后移，有较宽共振峰，且共振幅值非常小。
(2)在激振力很大，相对于传统的加惯容的系统在参数一定的情况下，共振峰衰减成宽频低振幅的曲线。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其特征在于：其包括基于偏心飞轮的运动转换器（9）、阻尼器（10）和弹簧（12）；所述运动转换器（9）、阻尼器（10）和弹簧（12）并联设置，且所述运动转换器（9）、阻尼器（10）和弹簧（12）的两端分别接在质量块（11）和地之间；所述运动转换器（9）包括转换器壳体（2）、受力可移动的齿条（1）、第一小齿轮（5）、第二小齿轮（7）、大齿轮（6）和偏心飞轮（3）；所述齿条（1）与第一小齿轮（5）相啮合，所述第一小齿轮（5）和大齿轮（6）同轴设置；所述大齿轮（6）和第二小齿轮（7）相啮合，所述第二小齿轮（7）和偏心飞轮（3）同轴设置；所述第一小齿轮（5）和大齿轮（6）之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体（2）上，所述第二小齿轮（7）和偏心飞轮（3）之间共用的齿轮轴通过轴承固定在转换器壳体（2）上。
2.根据权利要求1所述的一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其特征在于：还包括设置在所述齿条（1）上端的上吊环（4）和设置在所述转换器壳体（2）底部的下吊环（8）。
3.根据权利要求2所述的一种带有基于偏心飞轮的运动转换器的减振装置，其特征在于：所述运动转换器（9）的两端分别通过上吊环（4）和下吊环（8）与质量块（11）和地相连接。
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