CN106884966A - 一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置及减振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，包括高速轴、小齿轮、滚动轴承、大齿轮、低速轴、支撑座、磁场基座、压电环、电刷、换向片、绕组线圈、磁极、线圈支架、滑动轴承和箱体，磁场基座与低速轴固定连接，磁极楔紧在磁场基座腔体内壁上，电刷通过螺纹与磁场基座固联，支撑座相对箱体固定，两换向片和绕组线圈固连在线圈支架上，并与线圈支架不导通，线圈支架一端固定在支撑座上，压电环通过粘合剂粘接在大齿轮腹板两侧的轮缘上。本发明利用电压定压控制和极化电压的速度正反馈控制，可以实时调整压电环的变形，控制齿轮传动的啮合刚度，有效提升齿轮传动的精确性和稳定性。

Description

一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置及减振控制方法

技术领域

本发明涉及腹板式齿轮传动减振控制技术领域,尤其涉及一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置及减振控制方法。

背景技术

齿轮是许多精密功率和扭矩传动机械的关键原件之一，由于其传动稳定性好、精度高，被广泛应用于汽车、轮船、航空、航海、制造机床等动力传动中。在大功率传动中，齿轮结构尺寸很大，重量也较大，很难保证制造、安装精度，因此由于啮合振动、齿廓误差、偏心和弹性变形扰动造成的谐波振动会造成齿轮传动中难以接受的振动和噪声，严重时会直接导致传动系统的使用寿命和传动性能下降。特别是对于航空、航海和机器人行业使用的齿轮，减轻质量是设计的一个主要目标，而腹板式齿轮具有较薄轮缘和腹板，能够有效降低系统的质量，减少齿轮传动的惯性力，但是轮缘厚度较小容易引起啮合轮齿齿宽方向变形较大，导致啮合刚度下降，直接影响齿轮传动的精确性和稳定性。

发明内容

为解决现有技术和实际情况中存在的上述问题，本发明提供了一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，包括高速轴、小齿轮、滚动轴承、大齿轮、低速轴、支撑座、磁场基座、压电环、电刷、换向片、绕组线圈、磁极、线圈支架、滑动轴承和箱体，所述高速轴上设有小齿轮，所述低速轴上设有大齿轮，所述小齿轮和大齿轮啮合传动；磁场基座与低速轴固定连接，磁极楔紧在磁场基座腔体内壁上，电刷通过螺纹与磁场基座固联，二者保持绝缘不导通；支撑座相对箱体固定，其内圆柱面安装轴承，高速轴和低速轴通过轴承与箱体实现动连接；两换向片和绕组线圈固连在线圈支架上，并与线圈支架不导通，线圈支架一端固定在支撑座上，绕组线圈两输出端与两个换向片固接，所述电刷在转动时与换向片接触；压电环通过粘合剂粘接在大齿轮腹板两侧的轮缘上，与大齿轮不导通，压电环内外圆柱面通过导线与控制电路输出电压端相连，压电环采用径向极化设计；电刷输出电压采用定电压控制，压电环的极化电压采用闭环位置正反馈控制，二者的控制电路封装在磁场基座上；电刷与定电压控制电路之间、定电压控制电路与极化电压控制电路之间采用导线连接，提供压电环控制电压。

优选地，所述压电减振传动装置还设有磁场基座端盖，所述磁场基座端盖的一端用螺钉与磁场基座相连，内圆柱面通过滑动轴承与支撑座联接。

优选地，磁场基座通过螺纹与低速轴联接，通过止动垫片防松。

优选地，所述压电环的压电采样电路包括第一运算放大器A₁、电容C、输入电压源v、电压源v_s、第二运算放大器的A₂、电阻R₁₀、R₂₀、控制器，所述第一运算放大器A₁的反相输入端通过电容C连接到压电环的第一连接端；所述压电环的第一连接端还与输入电压源v的阳极端连接，所述输入电压源v的阴极端与接地端连接；

第一运算放大器A₁的输出端与电压源v_s的阴极连接；

电压源v_s的阳极与第二运算放大器的A₂的输出端连接；A₂运算放大器的反相输入端与压电环的第二连接端连接；

电阻R₁₀连接在第一运算放大器A₁反相输入端和输出端之间，电阻R₂₀连接在第二运算放大器A₂反相输入端和输出端之间；

输入电压源v和电压源v_s分别与控制器连接。

优选地，所述控制器为位置正反馈控制器，其压电激励环传递函数为，

扰动的传递函数为：

其中i是模态序号，是一个m×1的矢量，m为扰动作用的数量，上标“’”表示转置，、和分别表示第i个模态的频率、模态阻尼比和模态振型积， N为结构总的模态数，其正位置反馈函数为：

根据控制模态振动的需要，位置正反馈控制的模态数n可以随之增加，补偿频率与系统的固有频率相同，补偿阻尼不同于系统阻尼，可以根据设计要求设定；

所述反馈通道包括补偿器TF，其传递函数为：

其中R₁和R₂为电阻，C₁和C₂为电容。

优选地，所述补偿器包括补偿器控制电路，电阻R₁与电阻C₁组成并联电路，所述并联电路一端与正相输入端连接，并联电路的另一端与依次与电阻R₂，电容C₂串联后连接到反相输入端；所述R₂和电容C₂组成的串联之支路一端与正相输出端连接，所述R₂和电容C₂作为组成的串联支路另一端与反相输出端连接。

本发明同时公开了上述腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的减振控制方法，在磁极随低速轴转动时，实现磁场相对绕组线圈的转动，绕组线圈切割磁力线产生电流，电流传导至换向片，由电刷的不断转动将电流引出，形成连续传递的直流电源电极，通过导线将输出电压传导至定电压控制电路和极化电压控制电路，最终作为压电环的输入电压，通过实时控制输入电压，压电环的逆压电原理获得合理的大齿轮的径向应变，从而控制齿轮和的啮合刚度，以达到对齿轮传动的减振控制。

本发明在轮缘敷设压电材料，通过控制输入电压改变轮缘的径向变形，保证传动的可靠性。由于齿轮和传动轴的转动使得外部输入电压比较困难，本发明利用发电机的原理，通过磁场与传动轴同步转动，绕组线圈固定，从而产生线圈切割磁力线运动，产生控制电压，利用电压定压控制和极化电压的速度正反馈控制，可以实时调整压电环的变形，控制齿轮传动的啮合刚度，有效提升齿轮传动的精确性和稳定性。

本发明实施例公开的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，在磁极随低速轴转动时，实现磁场相对绕组线圈的转动，绕组线圈切割磁力线产生电流，电流传导至换向片，由电刷的不断转动将电流引出，形成连续传递的直流电源电极，通过导线将输出电压传导至定电压控制电路和极化电压控制电路，最终作为压电环的输入电压，通过实时控制输入电压，利用压电环的逆压电原理获得合理的大齿轮的径向应变，从而控制大齿轮和小齿轮的啮合刚度，以达到对齿轮传动的减振控制。该方法颠覆了传统发电机磁场固定线圈转动的理念，利用齿轮传动的旋转运动产生压电环控制电压，避免了由传动外部输入控制电压的麻烦；通过对腹板式齿轮传动啮合刚度的主动控制，能够拓展腹板式齿轮传动的应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的发电单元的结构示意图。

图3是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的磁场基座的结构示意图。

图4是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的磁场基座端盖的结构示意图。

图5是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的压电环的结构示意图。

图6是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的线圈支架的结构示意图。

图7是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的支撑座的结构示意图。

图8是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的压电环传感激励电路的电路图。

图9是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的控制器原理图。

图10是本发明实施例的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的补偿器控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明技术方案。

如图1-7所示，本发明的实施例公开了一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，包括高速轴1、小齿轮2、滚动轴承3、大齿轮4、低速轴5、支撑座6、磁场基座端盖7、磁场基座8、压电环9、电刷10、换向片11、绕组线圈12、磁极13、线圈支架14、滑动轴承15和箱体16，所述高速轴1上设有小齿轮2，所述低速轴5上设有大齿轮4，通过大齿轮4和小齿轮2之间的齿轮副传动带动高速轴1和低速轴5的转动，磁场基座8通过螺纹与低速轴5联接，通过止动垫片防松，保证与低速轴5同步转动；磁极13楔紧在磁场基座8腔体内壁上，磁场基座端盖7的一端用螺钉与磁场基座8相连，为保证磁场转动的可靠性，磁场基座端盖7内圆柱面通过滑动轴承15与支撑座6联接，保证磁场基座端盖7、磁场基座8和磁极13组成部件的可靠转动；电刷10通过螺纹与磁场基座8固联，二者保持绝缘不导通；支撑座6相对箱体16固定，其内圆柱面安装轴承3，高速轴1和低速轴5通过轴承3与箱体16实现动连接；两换向片11和绕组线圈12固连在线圈支架14上，并与线圈支架14不导通，线圈支架14一端固定在支撑座6上，两换向片11之间及与低速轴5不接触，绕组线圈12也与低速轴5不接触，其两输出端与两个换向片11固接，所述电刷10在转动时与换向片11接触；压电环9通过粘合剂粘接在大齿轮4腹板两侧的轮缘上，与大齿轮4不导通，压电环9内外圆柱面通过导线与控制电路输出电压端相连，压电环9采用径向极化设计；电刷10输出电压采用定电压控制，压电环9的极化电压采用闭环位置正反馈控制，二者的控制电路封装在磁场基座8上。在磁极13随低速轴5转动时，实现磁场相对绕组线圈12的转动，绕组线圈12切割磁力线产生电流，电流传导至换向片11，由电刷10的不断转动将电流引出，形成连续传递的直流电源电极，通过导线将输出电压传导至定电压控制电路和极化电压控制电路，最终作为压电环9的输入电压，通过实时控制输入电压，压电环9的逆压电原理获得合理的大齿轮4的径向应变，从而控制齿轮4和2的啮合刚度，以达到对齿轮传动的减振控制。

本实施例中，齿轮4和小齿轮2采用键分别与低速轴5和高速轴1联接；低速轴5和高速轴1两端采用轴承3支撑；齿轮和轴承的轴向分别由轴肩、轴环、套筒和螺纹可靠定位，箱体两侧采用轴承端盖定位。

为了避免在齿轮轮缘增加传感部件，减小传动系统的结构，可以采用图8所示的采样电路，该控制电路可以保证压电环时作为激励和传感原件。

如图8所示， v_s为输入电压v减去由齿轮与压电环耦合作用变形而产生的电压，其与压电环的应变成正比，将其作为反馈信号。

其中电阻R₁₀=R₂₀=R，v_p为压电环逆压电效应产生的电压，C_p为压电环的电容，C为电容，s为时间t的拉普拉斯变化参数。

控制器采用位置正反馈控制，其原理图如图9所示：

其中压电激励环传递函数可以表示成：

扰动的传递函数为：

其中i是模态序号，F_n为轮齿作用力，是一个m×1的矢量，m为扰动作用的数量，上标“’”表示转置，、和分别表示第i个模态的频率、模态阻尼比和模态振型积， N为结构总的模态数，其正位置反馈函数可以表示为：

根据控制模态振动的需要，位置正反馈控制的模态数n可以随之增加，补偿频率与系统的固有频率相同，补偿阻尼不同于系统阻尼，可以根据设计要求设定。

由于控制电路计算存在延时，而且滤波过程会导致控制信号相位的滞后或超前，影响减振控制的有效性，为了保证闭环控制的可靠性，在控制系统中增加了补偿器TF，其传递函数为：

其中R₁和R₂为电阻，C₁和C₂为电容，补偿器控制电路如图10所示。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，其特征在于，包括高速轴、小齿轮、滚动轴承、大齿轮、低速轴、支撑座、磁场基座、压电环、电刷、换向片、绕组线圈、磁极、线圈支架、滑动轴承和箱体，所述高速轴上设有小齿轮，所述低速轴上设有大齿轮，所述小齿轮和大齿轮啮合传动；磁场基座与低速轴固定连接，磁极楔紧在磁场基座腔体内壁上，电刷通过螺纹与磁场基座固联，二者保持绝缘不导通；支撑座相对箱体固定，其内圆柱面安装轴承，高速轴和低速轴通过轴承与箱体实现动连接；两换向片和绕组线圈固连在线圈支架上，并与线圈支架不导通，线圈支架一端固定在支撑座上，绕组线圈两输出端与两个换向片固接，所述电刷在转动时与换向片接触；压电环通过粘合剂粘接在大齿轮腹板两侧的轮缘上，与大齿轮不导通，压电环内外圆柱面通过导线与控制电路输出电压端相连，压电环采用径向极化设计；电刷输出电压采用定电压控制，压电环的极化电压采用闭环位置正反馈控制，二者的控制电路封装在磁场基座上；电刷与定电压控制电路之间、定电压控制电路与极化电压控制电路之间采用导线连接，提供压电环控制电压。

2.根据权利要求1所述的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，其特征在于，所述压电减振传动装置还设有磁场基座端盖，所述磁场基座端盖的一端用螺钉与磁场基座相连，内圆柱面通过滑动轴承与支撑座联接。

3.根据权利要求1所述的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，其特征在于，磁场基座通过螺纹与低速轴联接，通过止动垫片防松。

4.根据权利要求1所述的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，其特征在于，所述压电环的压电采样电路包括第一运算放大器A₁、电容C、输入电压源v、电压源v_s、第二运算放大器的A₂、电阻R₁₀、R₂₀、控制器，所述第一运算放大器A₁的反相输入端通过电容C连接到压电环的第一连接端；所述压电环的第一连接端还与输入电压源v的阳极端连接，所述输入电压源v的阴极端与接地端连接；

第一运算放大器A₁的输出端与电压源v_s的阴极连接；

电压源v_s的阳极与第二运算放大器的A₂的输出端连接；A₂运算放大器的反相输入端与压电环的第二连接端连接；

电阻R₁₀连接在第一运算放大器A₁反相输入端和输出端之间，电阻R₂₀连接在第二运算放大器A₂反相输入端和输出端之间；

输入电压源v和电压源v_s分别与控制器连接。

5.根据权利要求4所述的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，其特征在于，所述控制器为位置正反馈控制器，其压电激励环传递函数为，

扰动的传递函数为：

其中i是模态序号，是一个m×1的矢量，m为扰动作用的数量，上标“’”表示转置，、和分别表示第i个模态的频率、模态阻尼比和模态振型积， N为结构总的模态数，其正位置反馈函数为：

根据控制模态振动的需要，位置正反馈控制的模态数n可以随之增加，补偿频率与系统的固有频率相同，补偿阻尼不同于系统阻尼，可以根据设计要求设定；

所述反馈通道包括补偿器TF，其传递函数为：

其中R₁和R₂为电阻，C₁和C₂为电容。

6.根据权利要求5所述的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置，其特征在于，所述补偿器包括补偿器控制电路，电阻R₁与电阻C₁组成并联电路，所述并联电路一端与正相输入端连接，并联电路的另一端与依次与电阻R₂，电容C₂串联后连接到反相输入端；所述R₂和电容C₂组成的串联之支路一端与正相输出端连接，所述R₂和电容C₂作为组成的串联支路另一端与反相输出端连接。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的腹板式圆柱齿轮传动压电减振传动装置的减振控制方法，其特征在于，在磁极随低速轴转动时，实现磁场相对绕组线圈的转动，绕组线圈切割磁力线产生电流，电流传导至换向片，由电刷的不断转动将电流引出，形成连续传递的直流电源电极，通过导线将输出电压传导至定电压控制电路和极化电压控制电路，最终作为压电环的输入电压，通过实时控制输入电压，压电环的逆压电原理获得合理的大齿轮的径向应变，从而控制齿轮和的啮合刚度，以达到对齿轮传动的减振控制。