CN106015459A - 离心作动器 - Google Patents

Abstract

本发明属于作动器技术领域，提出一种离心式作动器，两个直齿轮；两个质量块；两个槽，分为第一槽和第二；两个轴，以及支架。支架用于支撑整个作动器；其中质量块可在对应的槽内移动。该离心式作动器是通过一组质量块反转，在质量块作用下偏心齿轮产生的离心力在水平方向上相互抵消，在垂直方向上相互叠加，从而可以产生一个正弦激振力。本发明的离心式作动器输出力只有垂直方向上的，并且能通过调节电机的相关参数及质量块距齿轮中心的距离来对其输出力的三要素进行相关调整从而得到合适的减振力。本发明的离心式作动器具有输出力大、适应频率范围宽、尺寸紧凑、重量较轻、需用功率小、结构简单等特点。

Description

离心作动器

技术领域

本发明涉及作动器技术领域，具体而言涉及一种离心作动器，适用于大中型直升机，以及采用变转速技术的新型直升机。

背景技术

直升机飞行时由于旋翼、尾桨、发动机等动部件产生的激振力的作用，所承受的振动载荷作用会引起机体的振动响应，高水平的振动有很多不利的影响，因此，抑制直升机飞行中机体的不利振动很有必要。传统减振手段基本上是被动吸振或隔振等技术，这些减振方法由于重量效率比、带宽等因素限制了其减振效果，已很难满足要求。相对而言振动主动控制技术更有优势。其中结构响应主动控制(ACSR)是一种基于机身的主动控制方法，该方法将反共振概念与现代控制技术相结合，已成为直升机机体振动主动控制的研究热点。ACSR系统的基本组成主要包括传感检测系统、控制系统和作动器系统三部分。作动器是实现ACSR的一大关键技术。作动器可根据控制系统发出的指令产生相应的输出力从而改变系统的响应特性以达到减振的目的。作动器主要分为液压式作动器、电磁式作动器和离心式作动器。液压式作动器重量较大，电磁式作动器存在电磁场干扰和仅在共振区附件具有较大输出力等问题，而离心式作动器的重量较轻、结构简单、尺寸紧凑、输出力大、适应频带宽、需用功率小，总体而言优于其他两种作动器。国内现有的离心式作动器多用于船舰，结构复杂，控制复杂。

目前国内关于离心式作动器已见相关的研究，例如第200520020600.0号中国专利申请公开了一种主动式离心式作动器，其特点是:安装在机壳上部的调速电机通过被动齿型皮带轮带动两套偏心转子反向旋转，产生两个相位、频率可控的输出力；这两套偏心转子通过齿轮与一个反旋的螺旋齿轮啮合，另一个步进电机由其输出轴上的联轴器带动丝杠在拨叉上的螺母中旋转，拖动螺旋齿轮在芯轴上平行移动，从而改变两套偏心转子之间的相位差，进而改变两个输出力合力的幅值。

又如，第200810137202.5号中国专利申请中公开了一种基于双滑块机构的离心式作动器，其特点是:一个三相电机驱动平行转轴上的直齿圆柱齿轮旋转，从而驱动安装在其上的偏心质量滑块反向旋转，产生一个相位、频率可控的输出力；偏心质量滑块套在与平行转轴垂直的滑杆上，通过滑块连杆机构驱动偏心质量滑块在滑杆上移动，改变偏心质量滑块的偏心距，从而改变输出力的幅值。

第211010512945.3号中国专利申请中公开了一种基于相位调节机构的离心式作动器，其特点是:它与上文专利200520020600.0中公开的离心式作动器技术接近，不同点在于，较之增加一个相位调节机构，使其相位调节不再通过算法实现，降低了控制算法的复杂性。其相位调节机构的原理是，在电机输出轴和作动器输入轴之间通过两个小锥齿轮连接，这两个小锥齿轮安装在相位调节机构壳体上，通过旋转该壳体，就会使得电机输出轴和作动器输入轴之间有一个相位变化，从而来调节作动器输出力相位。

上述专利均应用于舰船。专利公开号CN2787922Y中公开的离心式作动器采取的方式是通过一个反向螺旋伞齿轮的移动，带动与之啮合的两个齿轮反向旋转，从而使得两套偏心转子产生之间一个相位差，进而改变作动器输出力的幅值；专利公开号CN101363502A中公开的作动器和专利公开号CN101985968A中公开的作动器采用的方式是通过滑块连杆机构改变偏心滑块的偏心距，从而改变作动器输出力的幅值。从上述可以看出它们都是通过机械结构对作动器输出力的幅值进行控制。专利公开号CN101363502A中公开的离心式作动器是采用一个机械式相位调节机构对输出力的相位进行控制。这些作动器对其输出力的幅值控制和相位控制采用了两个完全不同的控制方法，增加了控制方法的复杂度。此外它们的尺寸较大、重量较重、响应速度比较慢。

第2013101098572号中国专利还提出了一种基于两组偏心质量块的离心式作动器。其特点是：有两个相同的力发生器。每一组力发生器是通过无刷直流电机带动伞齿轮转动，从而带动一组偏心质量块反转，产生一个相位、频率可控的输出力；整套装置有两组这样的力发生器，这时的总输出力的幅值也变得可控。这样的作动器不需再通过机械结构对幅值进行控制，但是不足之处在于需要两组一样的力发生器组成一套装置，结构不是很简便，未得到优化，并且该装置采样DSP算法来实现控制仿真，执行效率较低。

发明内容

本发明目的在于提供一种输出力大、适应频率范围宽的离心作动器，并且控制策略易于设计，可在电机的带动下通过改变相关参数即实现相关控制。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种离心作动器，包括：

两个直齿轮，分为第一直齿轮和第二直齿轮；

两个质量块，分为第一质量块和第二质量块；

两个槽，分为第一槽和第二槽，分别设置在第一直齿轮和第二直齿轮的端面上；

两个轴，分为第一轴和第二轴；以及

支架，该支架用于支撑整个作动器；

其中：

第一直齿轮与第一轴之间键连接，第二直齿轮与第二轴之间键连接，并且所述第一轴和第二轴上在直齿轮与轴的接触外侧位置上分别装有卡簧用于阻止直齿轮的轴向移动；

第一直齿轮与第二直齿轮外啮合；

第一质量块与第二质量块通过螺栓分别连接在对应的直齿轮上，并且两质量块关于两个直齿轮的接触面互相对称，且质量块可在对应的槽内移动从而改变其在直齿轮上的径向距离，并且两质量块始终是关于两个直齿轮的接触面对称；

第一轴的两端关于所述第一直齿轮对称的位置分别安装有第一轴承座和第二轴承座，第二轴的两端关于所述第二直齿轮对称的位置分别安装有第三轴承座和第四轴承座，第一轴承座和第二轴承座、第三轴承座和第四轴承座分别固定到底部的支架上；

所述第一轴通过联轴器连接至伺服电机的轴上，由伺服电机驱动第一轴转动，使第一直齿轮旋转，并带动第二直齿轮旋转，从而使得第一质量块和第二质量块之间翻转，这样在两个质量块的作用下偏心的直齿轮产生的离心力在水平方向上相互抵消，在垂直方向上相互叠加，从而产生一个正弦激振力输出。

进一步的实施例中，所述第一轴上与第一轴承座和第二轴承座的接触外侧分别装有卡簧，用于阻止第一轴承座和第二轴承座的轴向移动。

进一步的实施例中，所述第二轴上与第三轴承座和第四轴承座的接触外侧分别装有卡簧，用于阻止第三轴承座和第四轴承座的轴向移动。

进一步，所述正弦激振力输出的表达为F＝2mω²rsin(ωt+θ)，其中，θ为伺服电机的初始相位，r为第一质量块与第一轴的距离，该距离与第二质量块与第二轴的距离相同，ω为输出力的频率，并且在作动器产生的输出力的相位和频率都与振源的信号相位和频率一致，而幅值相反时，两者相互抵消，从而达到减振的效果。通过改变第一质量块与第一轴的距离r对输出力的幅值进行控制；通过调整电机的初始相位θ对输出力的相位进行相关控制；通过调整电机的转速对输出力的频率ω进行相关控制。

有以上技术方案可知，本发明提出的离心作动器，与现有技术相比，其显著优点在于：

1、本发明对离心式作动器输出力的相位控制采用通过LabVIEW软件的编程改变驱动器的相关参数使得电机加减速，实现对输出力相位的控制。这种控制形式相对机械式控制形式使得作动器更自动化，尺寸、重量都得到了改善。

2、本发明对离心式作动器输出力的幅值控制采用通过直接改变质量块的偏心距来实现对输出力幅值的控制。这种控制形式相对机械式具有上述1中同样的优点，并且相对需要两组偏心质量块组成的离心式作动器而言，本发明的离心式作动器结构更优化，响应速度更快。

3、本发明的离心式作动器尺寸更小，重量更轻，且只需一组偏心质量块即可，更有利于投入到航空航天事业中使用，更具实际意义。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明离心式作动器的结构示意图。

图2是是本发明离心式作动器的直齿轮部分的结构示意图。

图3是本发明离心式作动器的俯视示意图。

图4是本发明离心式作动器的左视示意图。

图中的标号名称：1-第一直齿轮；2-第二直齿轮；3-第一质量块；4-第二质量块；5-第一槽；6-第二槽；7-第一轴；8-第二轴；9-第一轴承座；10-第二轴承座；11-第三轴承座；12-第四轴承座；13-支架。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1、图2、图3以及图4所示，根据本发明的实施例，提出一种离心作动器，包括：两个直齿轮，分为第一直齿轮1和第二直齿轮2；两个质量块，分为第一质量块3和第二质量块4；两个槽，分为第一槽5和第二槽6，分别设置在第一直齿轮和第二直齿轮的端面上；两个轴，分为第一轴7和第二轴8；以及支架13，该支架用于支撑整个作动器。

结合图1、图2和图3，第一直齿轮1与第一轴7之间键连接，第二直齿轮2与第二轴8之间键连接，并且所述第一轴7和第二轴8上在直齿轮与轴的接触外侧位置上分别装有卡簧用于阻止直齿轮的轴向移动。

第一直齿轮1与第二直齿轮2外啮合。

第一质量块3与第二质量块4通过螺栓分别连接在对应的直齿轮上，并且两质量块关于两个直齿轮的接触面互相对称，且质量块可在对应的槽内移动从而改变其在直齿轮上的径向距离，并且两质量块始终是关于两个直齿轮的接触面对称。

第一轴7的两端关于所述第一直齿轮对称的位置分别安装有第一轴承座9和第二轴承座10，第二轴8的两端关于所述第二直齿轮对称的位置分别安装有第三轴承座11和第四轴承座12，第一轴承座和第二轴承座、第三轴承座和第四轴承座分别固定到底部的支架13上。

所述第一轴7通过联轴器连接至伺服电机的轴上，由伺服电机驱动第一轴转动，使第一直齿轮1旋转，并带动第二直齿轮2旋转，从而使得第一质量块3和第二质量块4之间翻转，这样在两个质量块的作用下偏心的直齿轮产生的离心力在水平方向上相互抵消，在垂直方向上相互叠加，从而产生一个正弦激振力输出。

优选地，所述第一轴7上与第一轴承座和第二轴承座的接触外侧分别装有卡簧，用于阻止第一轴承座和第二轴承座的轴向移动。

所述第二轴8上与第三轴承座和第四轴承座的接触外侧分别装有卡簧，用于阻止第三轴承座和第四轴承座的轴向移动。

所述正弦激振力输出的表达为F＝2mω²rsin(ωt+θ)，其中，θ为伺服电机的初始相位，r为第一质量块与第一轴的距离，该距离与第二质量块与第二轴的距离相同，ω为输出力的频率，并且在作动器产生的输出力的相位和频率都与振源的信号相位和频率一致，而幅值相反时，两者相互抵消，从而达到减振的效果。

我们可以通过改变第一质量块与第一轴的距离r对输出力的幅值进行控制；通过调整电机的初始相位θ对输出力的相位进行相关控制；通过调整电机的转速对输出力的频率ω进行相关控制。

本发明的控制原理具体如下：定义质量块的质量均为m,质量块距轴心的距离为r，初相位为θ，功率提供者无刷伺服电机的转速为n(rpm)，则装置的角速度整套装置的输出力为F＝2mω²r sin(ωt+θ)。使用LabVIEW软件编写相关算法并结合NI-CRIO硬件对装置的输出力进行相关控制。利用安装在NI-CRIO上的采集信号的板卡NI-9234采集到的装置信号传给计算机中的LabVIEW中编写的相关程序读到离心式作动器此时的初相位θ₀、幅值A₀、频率ω₀参数，结合控制器所需达到的输出力的幅值A、频率ω、初相位θ,经比较得到：偏心距相位增量△θ＝θ-θ₀(这里做定频分析,即认为ω不变)。偏心距r可根据遥控改变质量块在槽内的位置来改变。而初始相位θ可通过电机先加速后减速来改变，电机加减速前后角速度不变，假设角速度轨迹是个五次多项式：ω(t)＝t⁵+a₄t⁴+a₃t³+a₂t²+a₁t+a₀，整个控制周期为T,初始条件为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\left(0\right)=\mathrm{\ω}\left(T\right)={\mathrm{\ω}}_0\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\left(0\right)=\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\left(T\right)=0\end{array}\right.,$

则相位增量

联立求解可得:

$\mathrm{\ω}\left(t\right)=t^5+(\frac{30\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{T^5}-2.5T)t^4+(-\frac{60\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{T^4}+2T^2)t^3+(\frac{30\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{T^3}-0.5T^3)t^2+{\mathrm{\ω}}_0$

从上式可以看出确定控制周期T和相位增量Δθ后就能得到角速度的大致走向，再通过调节驱动器的相关参数来改变电机的转速来达到控制的目的。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种离心作动器，其特征在于，包括：

两个直齿轮，分为第一直齿轮和第二直齿轮；

两个质量块，分为第一质量块和第二质量块；

两个槽，分为第一槽和第二槽，分别设置在第一直齿轮和第二直齿轮的端面上；

两个轴，分为第一轴和第二轴；以及

支架，该支架用于支撑整个作动器；

其中：

第一直齿轮与第一轴之间键连接，第二直齿轮与第二轴之间键连接，并且所述第一轴和第二轴上在直齿轮与轴的接触外侧位置上分别装有卡簧用于阻止直齿轮的轴向移动；

第一直齿轮与第二直齿轮外啮合；

第一质量块与第二质量块通过螺栓分别连接在对应的直齿轮上，并且两质量块关于两个直齿轮的接触面互相对称，且质量块可在对应的槽内移动从而改变其在直齿轮上的径向距离，并且两质量块始终是关于两个直齿轮的接触面对称；

第一轴的两端关于所述第一直齿轮对称的位置分别安装有第一轴承座和第二轴承座，第二轴的两端关于所述第二直齿轮对称的位置分别安装有第三轴承座和第四轴承座，第一轴承座和第二轴承座、第三轴承座和第四轴承座分别固定到底部的支架上；

所述第一轴通过联轴器连接至伺服电机的轴上，由伺服电机驱动第一轴转动，使第一直齿轮旋转，并带动第二直齿轮旋转，从而使得第一质量块和第二质量块之间翻转，这样在两个质量块的作用下偏心的直齿轮产生的离心力在水平方向上相互抵消，在垂直方向上相互叠加，从而产生一个正弦激振力输出。

2.根据权利要求1所述的离心作动器，其特征在于，所述第一轴上与第一轴承座和第二轴承座的接触外侧分别装有卡簧，用于阻止第一轴承座和第二轴承座的轴向移动；

所述第二轴上与第三轴承座和第四轴承座的接触外侧分别装有卡簧，用于阻止第三轴承座和第四轴承座的轴向移动。

3.根据权利要求1所述的离心作动器，其特征在于，所述正弦激振力输出的表达为F＝2mω²rsin(ωt+θ)，其中，θ为伺服电机的初始相位，r为第一质量块与第一轴的距离，该距离与第二质量块与第二轴的距离相同，ω为输出力的频率，并且在作动器产生的输出力的相位和频率都与振源的信号相位和频率一致，而幅值相反时，两者相互抵消，从而达到减振的效果。

4.根据权利要求3所述的离心作动器，其特征在于，通过改变第一质量块与第一轴的距离r对输出力的幅值进行控制；通过调整电机的初始相位θ对输出力的相位进行相关控制；通过调整电机的转速对输出力的频率ω进行相关控制。