CN109707793A - 一种质心自校准惯性飞轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质心自校准惯性飞轮装置，涉及实验装置技术领域，凸台组件一端周向均布设各圆柱压缩弹簧组，另一端外侧面周向均布设各槽立柱，并于各对应的槽立柱和圆柱压缩弹簧组之间设各支撑座，支撑座上固设齿条；支撑座上安装齿轮组件，各齿轮组件的齿轮分别与各齿条啮合；凸台组件通过各圆柱压缩弹簧组与安装孔抵接配合；固定飞轮盘背部设固定飞轮盘齿条，各固定飞轮盘齿条分别与各齿轮啮合。本发明转动中固定飞轮盘会克服相应方向的圆柱压缩弹簧的弹力沿定位销轴向移动，自动实现固定飞轮盘质心位置的校准，使固定飞轮盘的质心与转动轴的中心轴共线；通过各滑块在V型槽内滑动和牵引钢丝绳，实现固定飞轮盘转动惯量大小小范围的调节。

Description

一种质心自校准惯性飞轮装置

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，具体涉及一种用于模拟转动惯量的惯性飞轮装置。

背景技术

转动惯量实验是一种实验室常见的实验，在各种转动惯量实验装置中，飞轮因其质量和惯性半径较大的优点，常用于模拟转动惯量。就传统的模拟方式而言，飞轮质量一旦固定，飞轮的转动惯量也固定不变。但随着现代科技的高速发展，这种转动惯量固定的模拟方式已无法满足各种机械装备的测试需求，越来越多的场合需要可调节的转动惯量模拟装置，有些甚至需要根据负载特性对转动惯量进行实时调节；此外，由于安装误差的存在，不可避免造成惯性飞轮装置的质心偏离回转轴线，这会导致飞轮在转动时产生不平衡量从而引起振动。

通过专利检索，存在以下已知的技术方案：

专利1：

申请号：CN201310625769.8，申请日：2013.11.29，授权公告日：2014.02.19，本发明提供一种转动惯量能调的惯性飞轮组装置，包括旋转主轴、能拆卸式固定设置在旋转主轴的突出部的飞轮片，以及设置为能使飞轮片沿轴向移动并能固定飞轮片的飞轮片拆卸机构，其中，拆卸机构包括跨过旋转主轴并与飞轮片平行布置的飞轮片拆卸盘，以及设置在飞轮片拆卸盘的两端用于支撑飞轮片拆卸盘的安装支座。设置在安装支座上的直线导轨上设置运动体，用于带动飞轮片拆卸盘安装或拆卸飞轮片。飞轮片选择性地固定在旋转主轴和飞轮片拆卸盘中的一个上。此装置结构简单、操作方便、成本较低，同时在各种工作状态下牢固可靠。

该装置通过增加或减少可拆卸式飞轮片个数，改变转动部件质量来改变装置的转动惯量，但是调节过程需要拆卸或安装飞轮片，操作复杂且耗时长，同时该装置只能满足数种特定的转动惯量大小，具有一定的局限性。

专利2：

申请号：CN201710725109.5，申请日：2017.8.22，授权公告日：2018.2.27，本发明公开转动惯量模拟装置中的一种转动惯量可调及自动校准的惯性飞轮装置，飞轮盘中间是空套在飞轮轴上的环状凸起，飞轮盘轴向一侧沿其径向上装有两个相对于飞轮盘中心轴对称的丝杠，每个丝杠内端各有一个位于环状凸起内侧的小锥齿轮，环状凸起外侧的每个丝杠上配装有一个质量块，锥齿轮盘设有能与两个小锥齿轮相啮合的锥齿；中间体固定套在飞轮轴外，中间体通过定位立柱有间隙地伸在环状凸起内壁上开有的径向盲孔中，每个定位立柱上均套有螺旋弹簧，飞轮盘轴向另一侧面上设有两组飞轮盘铰座，每组飞轮盘铰座各自通过短连杆铰接质量调节块，质量调节块经长连杆铰接中间体铰座；能连续改变转动惯量的大小，可自动感应和调节飞轮质量不均。

该装置主要通过锥齿轮旋转启动小锥齿轮及丝杠传动，致使配合在丝杠上的质量块沿飞轮盘径向移动，导致质量块与飞轮轴中心轴轴心距离发生变化，从而改变转动惯量的大小。该装置飞轮盘空套在飞轮轴上，飞轮盘可以沿立柱方向克服弹簧力的作用进行少量径向移动，自动感应飞轮盘质量不均，通过二连杆机构以及连接的质量调节块自动调节质量不均，校准飞轮质量分布，但是小锥齿轮及丝杠传动质量较重，质量块的质量较轻，调节的转动惯量范围小，同时质心位置自动校准只能够在一个方向上校准，而不能在飞轮盘整个圆周方向上校准。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种质心自校准惯性飞轮装置。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种质心自校准惯性飞轮装置，底座上设置支撑架，转动轴转动安装于所述支撑架上，凸台组件一端外侧面沿周向均布设各圆柱压缩弹簧组，另一端外侧面对应所述圆柱压缩弹簧组的数量和位置沿周向均布设各槽立柱，并于各对应的槽立柱和圆柱压缩弹簧组之间设各支撑座，所述槽立柱上设活动齿条；所述支撑座上安装齿轮组件，各所述齿轮组件的齿轮分别与各所述齿条啮合；

固定飞轮盘中部设安装孔，所述凸台组件由所述固定飞轮盘背部安装入所述安装孔，并通过各所述圆柱压缩弹簧组与所述安装孔抵接配合；所述固定飞轮盘背部对应各所述齿轮的数量和位置固设固定飞轮盘齿条，各所述固定飞轮盘齿条分别与各所述齿轮啮合；

所述转动轴上还安装有各质量不同的可调飞轮盘，所述可调飞轮盘可与所述转动轴空套连接或与所述转动轴连接为一个整体。

进一步的，所述固定飞轮盘通过轴套和所述转动轴的轴肩结构限位安装于所述转动轴上，其正面对应所述固定飞轮盘齿条的数量和位置沿所述固定飞轮盘径向设置各V型槽，所述V型槽内端和外端分别固设固定飞轮盘立柱和固定飞轮盘铰座，所述固定飞轮盘上沿所述V型槽边沿设刻度尺，所述固定飞轮盘立柱上安装定滑轮；圆周盘设于各定滑轮中部，弹簧固定板安装于所述固定飞轮盘铰座上，滑块通过其上设置的V型凸起结构滑动安装于所述V型槽内，其一端通过圆柱拉伸弹簧与所述弹簧固定板连接，另一端通过绕过所述定滑轮的钢丝绳与所述圆周盘连接，所述圆周盘通过设于所述转动轴上的导向键与所述转动轴周向固定，并通过其上设置的螺钉压紧所述导向键上侧面与所述导向键轴向固定。

进一步的，各所述可调飞轮盘限位设于所述转动轴的轴肩和连接于其端部的圆螺母之间，所述可调飞轮盘通过两个角接触轴承空套于所述转动轴上，所述角接触轴承一端面与转动轴的轴肩或轴套的一端面轴向固定，另一端面与对应的所述可调飞轮盘的环状端面轴向固定，各法兰盘分别与各所述可调飞轮盘固连为整体，各电磁离合器轴连部分别与各所述法兰盘固连，

各电磁离合器盘连部分别通过平键与所述转动轴周向固定，其一侧与对应的所述电磁离合器轴连部构成间隙，另一侧与对应的轴套轴向固定。

进一步的，齿轮通过设于齿轮轴上的平键与所述齿轮轴连接固定，其两侧各设一个轴端挡圈，构成所述齿轮组件；所述齿轮轴穿过所述支撑座上的支撑座孔设置，其一端通过设于其端部的限位结构限位，另一端通过与其端部螺纹连接的螺母限位。

进一步的，所述圆柱压缩弹簧组由沿所述凸台组件轴向成排设置的各圆柱压缩弹簧构成，各所述圆柱压缩弹簧分别通过固设于所述凸台组件上的各定位销限位固定。

进一步的，所述安装孔内对应各所述定位销的位置设长条状结构的定位销限位槽，各所述定位销的末端伸入至对应的定位销限位槽的槽口内。

进一步的，滑轨竖直安装于所述底座上，丝杠竖直设于所述滑轨中部，矩形板位于所述固定飞轮盘上方，滑动安装于所述滑轨上，并与所述丝杠螺纹连接；压力传感器设于所述矩形板末端底部，通过设于其底部的探头测量和反馈压力；所述探头与所述固定飞轮盘外表面形成线接触。

进一步的，探头通过弹簧连接于所述压力传感器底部，所述弹簧外部设环形圆柱。

进一步的，所述丝杠顶部设手柄。

本发明提供了一种质心自校准惯性飞轮装置，具有以下有益效果：

1、固定飞轮盘质量分布不均时，转动中固定飞轮盘会克服相应方向的圆柱压缩弹簧的弹力沿定位销轴向移动，自动实现固定飞轮盘质心位置的校准，使固定飞轮盘的质心与转动轴的中心轴共线，减少惯性飞轮装置的工作震动，延长其使用寿命；

2、通过各滑块在V型槽内滑动和牵引钢丝绳，实现固定飞轮盘转动惯量大小小范围的调节，能连续改变固定飞轮盘的转动惯量，使用范围广，实用性好；

3、V型槽变设刻度尺，能较为精准地辅助控制V型滑块的位移，满足特定实验条件下的转动模拟惯量；

4、通过各可调飞轮盘与转动轴的连接和分离，实现惯性飞轮装置转动惯量大范围的调节，不需要拆卸和更换飞轮盘，大大推高了实验效率，降低了使用成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视局部剖视示意图；

图3为本发明固定飞轮盘的正面结构示意图；

图4为本发明固定飞轮盘的背面和长方体凸台组件的结构示意图；

图5为本发明长方体凸台组件的结构示意图；

图6为本发明齿轮组件的结构示意图。

图中：

11、底座，12、底座支板，13、矩形板，14、丝杠，15、压力传感器，16、环形圆柱，17、探头，18、弹簧，19、手柄；21、支撑架，22、转动轴，231、导向键，23、轴套，24、角接触轴承，25、法兰盘，261、电磁离合器轴连部，262、电磁离合器盘连部，27、圆螺母；3、固定飞轮盘，301、固定飞轮盘铰座，302、V型槽，303、固定飞轮盘立柱，304、固定飞轮盘齿条，305、刻度尺，306、弹簧固定板，307、滑块，308、圆柱拉伸弹簧，309、定滑轮，310、钢丝绳，311、圆周盘，312、安装孔；4、可调飞轮盘；5、凸台组件，51、槽立柱，52、支撑座，53、定位销，54、齿条，555、圆柱压缩弹簧，6、齿轮组件，61、齿轮轴，62、平键，63、轴端挡圈，64、齿轮，65、螺母。

具体实施方式

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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1～图6所示，其结构关系为：底座11上设置支撑架21，转动轴22转动安装于支撑架21上，凸台组件5一端外侧面沿周向均布设各圆柱压缩弹簧组，另一端外侧面对应圆柱压缩弹簧组的数量和位置沿周向均布设各槽立柱51，并于各对应的槽立柱51和圆柱压缩弹簧组之间设各支撑座52，槽立柱51上设活动齿条54；支撑座52上安装齿轮组件6，各齿轮组件的齿轮64分别与各齿条54啮合；

固定飞轮盘3中部设安装孔312，凸台组件5由固定飞轮盘3背部安装入安装孔312，并通过各圆柱压缩弹簧组与安装孔312抵接配合；固定飞轮盘3背部对应各齿轮64的数量和位置固设固定飞轮盘齿条304，各固定飞轮盘齿条304分别与各齿轮64啮合；

转动轴上22还安装有各质量不同的可调飞轮盘4，可调飞轮盘4可与转动轴22空套连接或与转动轴22连接为一个整体。

优选的，固定飞轮盘3通过轴套23和转动轴22的轴肩结构限位安装于转动轴22上，其正面对应固定飞轮盘齿条304的数量和位置沿固定飞轮盘3径向设置各V型槽302，V型槽302内端和外端分别固设固定飞轮盘立柱303和固定飞轮盘铰座301，固定飞轮盘3上沿V型槽302边沿设刻度尺305，刻度尺305用于测量V型滑块7径向移动的距离。

固定飞轮盘立柱303上安装定滑轮309；圆周盘311设于各定滑轮309中部，弹簧固定板306安装于固定飞轮盘铰座301上，滑块307通过其上设置的V型凸起结构滑动安装于V型槽302内，其一端通过圆柱拉伸弹簧308与弹簧固定板306连接，另一端通过绕过定滑轮309的钢丝绳310与圆周盘311连接，圆周盘311通过设于转动轴22上的导向键231与转动轴22周向固定，并通过其上设置的螺钉压紧导向键231上侧面与导向键231轴向固定。

优选的，各可调飞轮盘4限位设于转动轴22的轴肩和连接于其端部的圆螺母27之间，可调飞轮盘4通过两个角接触轴承24空套于转动轴22上，角接触轴承24一端面与转动轴的轴肩或轴套23的一端面轴向固定，另一端面与对应的可调飞轮盘4的环状端面轴向固定，各法兰盘25分别与各可调飞轮盘4固连为整体，各电磁离合器轴连部261分别与各法兰盘25固连，即对应的一组可调飞轮盘4、法兰盘25和电磁离合器轴连部261连接为整体，该连接可通过周向均布的四个螺钉实现。

各电磁离合器盘连部262分别通过平键与转动轴22周向固定，其一侧与对应的电磁离合器轴连部261构成间隙，另一侧与对应的轴套23轴向固定。

优选的，齿轮64通过设于齿轮轴61上的平键62与齿轮轴61连接固定，其两侧各设一个轴端挡圈63，构成齿轮组件；齿轮轴61穿过支撑座52上的支撑座孔设置，其一端通过设于其端部的限位结构限位，另一端通过与其端部螺纹连接的螺母65限位。

优选的，圆柱压缩弹簧组由沿凸台组件5轴向成排设置的各圆柱压缩弹簧55构成，各圆柱压缩弹簧55分别通过固设于凸台组件5上的各定位销53限位固定。

优选的，安装孔内对应各定位销53的位置设长条状结构的定位销限位槽，各定位销53的末端伸入至对应的定位销限位槽的槽口内。

优选的，滑轨竖直安装于底座11上，丝杠14竖直设于滑轨中部，矩形板13位于固定飞轮盘3上方，滑动安装于滑轨上，并与丝杠14螺纹连接；压力传感器15设于矩形板13末端底部，通过设于其底部的探头17测量和反馈压力；探头17与固定飞轮盘3外表面形成线接触。

优选的，探头17通过弹簧18连接于压力传感器15底部，弹簧18外部设环形圆柱16。

优选的，丝杠14顶部设手柄19

转动轴22两端分别通过调心滚子轴承安装于支撑架21上，支撑架21通过螺栓与底座11固定；固定飞轮盘3、转动轴22和圆周盘311同心设置。

导向键231和圆周盘311上各沿转动轴22轴向设两个螺纹孔，导向键231通过螺纹孔和螺钉固定于转动轴22上，圆周盘311通过螺钉于螺纹孔处与导向键231上侧面压紧接触时，圆周盘311处于锁定状态，其沿轴向的自由运动被锁定，但可与转动轴22同步转动；圆周盘311的螺钉未与导向键231上侧面压紧时，圆周盘311可沿轴向自由移动。

具体使用时，当固定飞轮盘3质量不均匀导致其质心与转动轴22不重合时，固定飞轮盘3转动的过程中，固定飞轮盘3会沿各定位销53轴向方向移动，进而带动固定飞轮盘上的固定飞盘齿条304移动，固定飞轮盘齿条304、齿轮64、齿条54构成两对齿轮齿条机构，齿轮64转动，带动各齿条54沿槽立柱滑动，实现固定飞轮盘3质心校准。

同时，使用过程中，固定飞轮盘3质量不均会导致固定飞轮盘3径向振动，使与其外缘线接触的探头10上下震动，进而对弹簧18产生压力，该压力由压力传感器15检测后反馈至计算机，可根据压力的变化情况，判断固定飞轮盘3质心的校准。

可通过调节圆周盘311实现小范围的转动惯量调节。在圆周盘311的螺钉未与导向键231上侧面压紧时，手动调节圆周盘311沿转动轴22靠近或远离固定飞轮盘3移动，各钢丝绳310克服各圆柱拉伸弹簧308的弹力，分别拉动与其连接的各滑块307沿对应的V型槽滑动，使各滑块307与转动轴22的中心轴距离逐渐减小或增加，以小范围连续减小或增加固定飞轮盘3的整体转动惯量。将转动惯量调整至实验需要的模拟量后，应将圆周盘311的螺钉未与导向键231上侧面压紧固定。刻度尺305用于观测滑块307径向移动的距离，以实现滑块307移动的精确控制，从而便于按照实验要求实现固定飞轮盘3整体转动惯性模拟量的调整。

可通过各质量不同的可调飞轮盘4实现转动惯量大范围的调节。电磁离合器未通电时，其电磁离合器轴连部261和电磁离合器盘连部262未闭合，电磁离合器轴连部261跟随转动轴22转动而电磁离合器盘连部262不转动；电磁离合器通电后，电磁离合器轴连部261和电磁离合器盘连部262吸合，进而带动与其连接呈整体的法兰盘25和可调飞轮盘4同步转动，通过各可调飞轮盘4对应的各电磁离合器通断电的不同组合，可以实现转动惯量大范围的多种调节。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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；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精神和范围。

Claims (9)

1.一种质心自校准惯性飞轮装置，底座(11)上设置支撑架(21)，转动轴(22)转动安装于所述支撑架(21)上，其特征在于：凸台组件(5)一端外侧面沿周向均布设各圆柱压缩弹簧组，另一端外侧面对应所述圆柱压缩弹簧组的数量和位置沿周向均布设各槽立柱(51)，并于各对应的槽立柱(51)和圆柱压缩弹簧组之间设各支撑座(52)，所述槽立柱(51)上设活动齿条(54)；所述支撑座(52)上安装齿轮组件(6)，各所述齿轮组件的齿轮(64)分别与各所述齿条(54)啮合；

固定飞轮盘(3)中部设安装孔(312)，所述凸台组件(5)由所述固定飞轮盘(3)背部安装入所述安装孔(312)，并通过各所述圆柱压缩弹簧组与所述安装孔(312)抵接配合；所述固定飞轮盘(3)背部对应各所述齿轮(64)的数量和位置固设固定飞轮盘齿条(304)，各所述固定飞轮盘齿条(304)分别与各所述齿轮(64)啮合；所述转动轴上(22)还安装有各质量不同的可调飞轮盘(4)，所述可调飞轮盘(4)可与所述转动轴(22)空套连接或与所述转动轴(22)连接为一个整体。

2.根据权利要求1所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：所述固定飞轮盘(3)通过轴套(23)和所述转动轴(22)的轴肩结构限位安装于所述转动轴(22)上，其正面对应所述固定飞轮盘齿条(304)的数量和位置沿所述固定飞轮盘(3)径向设置各V型槽(302)，所述V型槽(302)内端和外端分别固设固定飞轮盘立柱(303)和固定飞轮盘铰座(301)，所述固定飞轮盘(3)上沿所述V型槽(302)边沿设刻度尺(305)，所述固定飞轮盘立柱(303)上安装定滑轮(309)；圆周盘(311)设于各定滑轮(309)中部，弹簧固定板(306)安装于所述固定飞轮盘铰座(301)上，滑块(307)通过其上设置的V型凸起结构滑动安装于所述V型槽(302)内，其一端通过圆柱拉伸弹簧(308)与所述弹簧固定板(306)连接，另一端通过绕过所述定滑轮(309)的钢丝绳(310)与所述圆周盘(311)连接，所述圆周盘(311)通过设于所述转动轴(22)上的导向键(231)与所述转动轴(22)周向固定，并通过其上设置的螺钉压紧所述导向键(231)上侧面与所述导向键(231)轴向固定。

3.根据权利要求1所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：各所述可调飞轮盘(4)限位设于所述转动轴(22)的轴肩和连接于其端部的圆螺母(27)之间，所述可调飞轮盘(4)通过两个角接触轴承(24)空套于所述转动轴(22)上，所述角接触轴承(24)一端面与转动轴的轴肩或轴套(23)的一端面轴向固定，另一端面与对应的所述可调飞轮盘(4)的环状端面轴向固定，各法兰盘(25)分别与各所述可调飞轮盘(4)固连为整体，各电磁离合器轴连部(261)分别与各所述法兰盘(25)固连，各电磁离合器盘连部(262)分别通过平键与所述转动轴(22)周向固定，其一侧与对应的所述电磁离合器轴连部(261)构成间隙，另一侧与对应的轴套(23)轴向固定。

4.根据权利要求1所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：齿轮(64)通过设于齿轮轴(61)上的平键(62)与所述齿轮轴(61)连接固定，其两侧各设一个轴端挡圈(63)，构成所述齿轮组件；所述齿轮轴(61)穿过所述支撑座(52)上的支撑座孔设置，其一端通过设于其端部的限位结构限位，另一端通过与其端部螺纹连接的螺母(65)限位。

5.根据权利要求1所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：所述圆柱压缩弹簧组由沿所述凸台组件(5)轴向成排设置的各圆柱压缩弹簧(55)构成，各所述圆柱压缩弹簧(55)分别通过固设于所述凸台组件(5)上的各定位销(53)限位固定。

6.根据权利要求5所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：所述安装孔内对应各所述定位销(53)的位置设长条状结构的定位销限位槽，各所述定位销(53)的末端伸入至对应的定位销限位槽的槽口内。

7.根据权利要求1所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：滑轨竖直安装于所述底座(11)上，丝杠(14)竖直设于所述滑轨中部，矩形板(13)位于所述固定飞轮盘(3)上方，滑动安装于所述滑轨上，并与所述丝杠(14)螺纹连接；压力传感器(15)设于所述矩形板(13)末端底部，通过设于其底部的探头(17)测量和反馈压力；所述探头(17)与所述固定飞轮盘(3)外表面形成线接触。

8.根据权利要求7所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：探头(17)通过弹簧(18)连接于所述压力传感器(15)底部，所述弹簧(18)外部设环形圆柱(16)。

9.根据权利要求7所述的一种质心自校准惯性飞轮装置，其特征在于：所述丝杠(14)顶部设手柄(19)。