CN108916317B - 一种基于减速机的棘轮齿条惯容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于减速机的棘轮齿条惯容器，其具有齿条、与齿条啮合的齿轮、与齿轮啮合的棘轮、与棘轮啮合的减速机以及与减速机啮合的飞轮，齿轮固定设置有单向拨动的钩爪以限制棘轮的转动方向，并且两套相对应的棘轮和钩爪的安装方向相反，能够将左右的水平运动依次转化为两个飞轮的逆时针、顺时针转动，从而可以实现较大的转动惯量，避免齿轮对结构的不利驱动作用，加速了结构从瞬时极值到零的减速过程，并且可以减少共振响应。

Description

一种基于减速机的棘轮齿条惯容器

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于减速机的棘轮齿条惯容器。

背景技术

在土木工程结构领域，振动的来源除了地震、风振、海浪等自然因素以外，还有交通运输、机器运转、施工爆破等人为因素。虽然各类动荷载的来源不同，但对土木工程结构的危害都是不容小觑的。比如对于地震这一影响范围最广的自然灾害，重大地震会造成房倒屋塌、桥梁断裂、人员伤亡，轻微地震也会造成建筑物开裂变形、非结构构件损坏，降低使用的安全感和舒适度。不论地震的程度大小，土木结构的振动都严重威胁我们的生命安全和生活品质。

振动控制技术是一门交叉复杂的新兴学科，主要分为被动控制、主动控制、混合控制及智能控制。目前，工程结构中的一般抗震设计还不能很好地避免地震带来的损伤，所以土木结构振动控制一直是人们关注和研究的热点。将振动控制装置或机构安装在结构当中，可以分担土木结构在地震中的振动作用，减弱其自身承担的地震力，通过调整结构的自振频率或周期，增大结构阻尼和控制力，以降低结构的振动响应。

在被动控制的深入研究当中，陆续出现了阻尼减振、缓冲隔振及动力吸振等减振方法。其中，动力吸振器具有低成本高效率，可靠而稳定的特点，是工程实践中应用较为广泛的一种振动控制装置。其工作原理为：在结构中安装附加的吸振器，进而改变结构整体的振动状态，使部分振动能量转移到附属系统上。惯容器作为动力吸振器的一种，最早被应用在交通工具的悬架系统当中，因为惯容器可以用自身较小的质量实现较大的“虚质量”，解决了悬架设计当中实现大质量的困难，惯容器的应用领域也逐渐扩展到了建筑结构的减震控制当中。

本发明的直接背景技术是齿轮齿条式惯容器，这是机械惯容器的一种类型，最早在2002年由Malcolm C.Smith教授提出，并且发明了多种性能优良的悬架结构。随后，滚珠丝杠式惯容器、液压式和液力式惯容器等形式也相继产生，但是，多数惯容器的相关应用还只停留于交通工具的振动控制当中。由于国内对惯容器的研究起步比较晚，也很少将惯容器安装到实际的土木结构之中，所以有必要开展相关研究，发明并改进惯容器构造，以减少共振响应，保持自身结构稳定，从而将其应用于土木结构的振动控制领域。

减速机是应用范围十分广泛的机械传动装置，在我国已发展了40年。这种原动件与工作机之间的减速传动装置一般用于低转速大扭矩的传动设备，把高速运转的动力输入到齿数少的齿轮，并啮合输出到大齿轮来达到减速的目的。本发明将减速机反向安装在棘轮和飞轮之间，增加飞轮的运转速度，进而实现更大的转动惯量。

发明内容

根据上述提出惯容器不能应用于土木结构的技术问题，而提供一种基于减速机的棘轮齿条惯容器。本发明主要利用安装方向相反的两套棘轮和钩爪，从而起到减少共振响应，保持自身结构稳定的作用。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于减速机的棘轮齿条惯容器，其具有单层框架结构，两根齿条沿着框架的长度方向分别设置在框架顶板的下表面两侧，并且齿条的齿朝向下方，传动机构支架的一端固定于框架底板的上表面，其包括：

两个齿轮，其分别与两根齿条啮合传动，并且固定设置有单向拨动的钩爪，钩爪伴随着齿轮一起转动；

两个棘轮，其分别设置在比两个齿轮靠框架外侧的位置，并且与两个齿轮的钩爪啮合传动，当齿轮带着钩爪向一个方向转动时，驱动棘轮也沿这个方向转动，当齿轮带着钩爪反向转动时，钩爪会被棘轮拨开，而不会驱动棘轮随之转动，一套棘轮和钩爪的安装方向与另一套棘轮和钩爪的安装方向相反；

两个飞轮，其分别设置在比两个棘轮靠框架外侧的位置，并且借助棘轮驱动进行转动，

由齿轮、棘轮以及飞轮构成的传动机构在水平方向同轴，借助转轴相连而一体化，并且位于传动机构支架的顶端，借助传动机构支架固定于框架底部。

进一步地，还具有减速机，其与齿轮、棘轮以及飞轮在水平方向同轴，并且其低速端与棘轮相连，高速端与飞轮相连。

进一步地，所述齿条利用螺栓铆接于顶板，在螺栓外套设弹簧以自动调节齿条和顶板的间隔。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器，通过增加棘轮离合装置，避免了齿轮对结构的不利驱动作用，加速了结构从瞬时极值到零的减速过程。

2、本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器，可以减少共振响应，避免了IMD放大共振位移的缺点。减小了高频激励下的结构加速度和位移。

3、本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器，通过使用减速机增速装置，很大程度上扩展了惯质比的可控范围，大幅度增加了惯量，提高了惯性控制力。

4、本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器，可根据结构的实际需要调整减速机类型和增速传动比，具有一定的现实意义。

5、本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器，其齿条与结构顶板采用螺栓外套弹簧的连接方式，不妨碍结构侧移时顶板高度的降低。

综上，本发明的技术方案解决了现有技术中的齿轮不利驱动问题，并且实现了较大转动惯量，进而减少了结构自身的振动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的单层框架立体示意图。

图2为本发明的装置细节示意图。

图3为本发明的装置配件组装示意图。

图4为本发明的单层框架的主视图。

图5为本发明的单层框架的俯视图。

图6为本发明的装置受力分析图。

图中：1、齿条；2、齿轮；3、棘轮；4、减速机；5、飞轮；6、螺栓弹簧；7、三角支架；8、单层结构框架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-6所示，本发明提供了一种基于减速机的棘轮齿条惯容器，其具有单层框架结构8，两根齿条1沿着单层框架结构8的长度方向分别设置在框架顶板的下表面两侧，并且齿条1的齿朝向下方，同时利用螺栓铆接于顶板，在螺栓外套设弹簧而构成螺栓弹簧6以自动调节齿条1和顶板的间隔，传动机构支架、即三角支架7的一端固定于框架底板的上表面，该惯容器包括：两个齿轮2，该齿轮2分别与两根齿条1啮合传动，并且固定设置有单向拨动的钩爪，钩爪伴随着齿轮2一起转动；两个棘轮3，该棘轮3分别设置在比两个齿轮2靠单层框架结构8外侧的位置，并且与两个齿轮2的钩爪啮合传动，同时，一套相对应的棘轮3和钩爪的安装方向与另一套相对应棘轮和钩爪的安装方向相反；减速机4，其低速端与棘轮3相连，高速端与飞轮5相连；两个飞轮5，其分别设置在比两个棘轮3靠单层框架结构8外侧的位置，并且借助减速机驱动进行转动，由齿轮、棘轮以及飞轮构成的传动机构在水平方向同轴，借助转轴相连而一体化，并且位于传动机构支架的顶端，借助传动机构支架7固定于框架底部，当齿轮2带着钩爪向一个方向转动时，驱动棘轮3也沿这个方向转动，并通过减速机4的加速作用，驱动飞轮5同向转动，当齿轮带着钩爪反向转动时，钩爪会被棘轮3拨开，而不会驱动棘轮3随之转动，进而不会反向影响飞轮转动，由此形成齿轮-棘轮-减速机的传动机构。

在地面受到外部激励的条件下而发生运动时，单层框架结构8的底板和传动机构及其三角支架7因为固结在一起，刚度很大而几乎没有相对运动，可以认为其随地面一同运动，而框架的顶板、齿条、两侧板因为刚度较小而受迫振动，由此顶板连着齿条的水平运动转化为与之啮合的齿轮转动，由于正反两面的棘轮及钩爪安装方向相反，所以左右的水平运动依次转化为两个飞轮的逆时针、顺时针转动，从而可以实现较大的转动惯量。

以下说明基于减速机的棘轮齿条惯容器的原理：

安装该装置的单自由度系统如附图4、附图5所示，则系统的运动方程为：

其中，m为系统结构层质量，k为层间刚度，c为阻尼，

为地面加速度，x为系统的相对位移，“·”表示对时间t的导数，F_R-CID(t)表示该装置产生的惯性力，根据附图5中力的分析，有以下关系：

其中，齿轮质量为m_g半径为r_g，棘轮质量为m_j半径为r_j，飞轮质量为m_f半径为R，齿轮转过角度为θ，减速机的减速比为n，且n>1。将(3)、(4)式带入(2)得到：

因为该装置的不连续性，运动方程又服从以下关系：

式中为惯质比，为最终实现的惯质，其表达式为：

从惯质b的表达式可见，经过减速机的放大作用，本发明装置产生的惯量不单单取决于飞轮的质量和半径，很大程度上由减速机的减速比控制。对于相对比较成熟的减速机应用技术，其减速比的控制范围可以从几十达到上百。根据实际需要配置减速机，使结构体系增加足够的惯性控制力来抵抗外部激励，这对结构振动控制的进一步研究具有重要的意义。

由此可见，利用本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器，通过增加棘轮离合装置，避免了齿轮对结构的不利驱动作用，加速了结构从瞬时极值到零的减速过程，并且可以减少共振响应，避免了IMD放大共振位移的缺点，从而减小了高频激励下的结构加速度和位移。同时，通过使用减速机增速装置，很大程度上扩展了惯质比的可控范围，大幅度增加了惯量，提高了惯性控制力，还可根据结构的实际需要调整减速机类型和增速传动比，具有一定的现实意义。此外，本发明提供的基于减速机的棘轮齿条惯容器的齿条与结构顶板采用螺栓外套弹簧的连接方式，不妨碍结构侧移时顶板高度的降低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于减速机的棘轮齿条惯容器，其安装于单层框架结构中，两根齿条沿着框架的长度方向分别设置在框架顶板的下表面两侧，并且齿条的齿朝向下方，传动机构支架的一端固定于框架底板的上表面，其特征在于，包括：

两个齿轮，其分别与两根齿条啮合传动，并且固定设置有单向拨动的钩爪，钩爪伴随着齿轮一起转动；

两个棘轮，其分别设置在比两个齿轮靠框架外侧的位置，并且与两个齿轮的钩爪啮合传动，当齿轮带着钩爪向一个方向转动时，驱动棘轮也沿这个方向转动，当齿轮带着钩爪反向转动时，钩爪会被棘轮拨开，而不会驱动棘轮随之转动，一套相对应的棘轮和钩爪的安装方向与另一套相对应的棘轮和钩爪的安装方向相反；

两个飞轮，其分别设置在比两个棘轮靠框架外侧的位置，并且借助棘轮驱动进行转动，

由齿轮、棘轮以及飞轮构成的传动机构在水平方向同轴，借助转轴相连而一体化，并且位于传动机构支架的顶端，借助传动机构支架固定于框架底部；

还具有

减速机，其与齿轮、棘轮以及飞轮在水平方向同轴，并且其低速端与棘轮相连，高速端与飞轮相连；

所述齿条利用螺栓铆接于顶板，在螺栓外套设弹簧以自动调节齿条和顶板的间隔。

2.根据权利要求1所述的基于减速机的棘轮齿条惯容器，其特征在于，

所述传动机构支架是三角支架。

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