CN110219938B - 一种惯容量可调的惯容装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯容量可调的惯容装置，包括飞轮，飞轮通过第一转轴与传动装置相连，传动装置固定在箱体内侧，飞轮异于第一转轴的一侧设置互相垂直且连通的主管和侧管，主管与第一转轴同轴，主管内设置主管活塞，主管活塞通过滚珠轴承与推拉杆相连，侧管内设置侧管活塞，侧管的短管两端设置凸起，主管活塞、主管、侧管活塞、侧管围合而成的区域充满液体，液体仅在推动主管活塞移动时运动。本发明惯容量可以进行主动连续地进行改变，能够适应不同情况下的工程需求；整体装置的体积小，在实际安装时更加便捷。
Description
技术领域
本发明属于吸振装置，具体为一种惯容量可调的惯容装置。
背景技术
早期提出的惯容作为一种机械式被动元件，解决了质量元件单端点问题。当一对力作用于惯容的两端点时，两端点的加速度与力成一定比例，该比例值即为“惯容量”。由“惯容-弹簧-阻尼器”组成的新型机械隔振网络被广泛应用在车辆悬架隔振、建筑物隔振及高性能摩托车转向补偿领域。这种被动式惯容由于结构相对简单，效果相对较好，所以应用场合较为广泛，目前有滚珠丝杠式惯容、齿轮齿条式惯容和液压式惯容等。
惯容输出力与两端的相对加速度成正比，能够以小质量实现大质量的动力学特性，极大扩宽了振动控制的结构形式。然而，惯容是两端元件，当作为动力吸振器等应用场合中的惯性元件使用时，其作用形式与单质量体有很大不同，不可避免地引起减振频段缩窄等问题。
惯容量可由齿轮组的转动惯量、半径以及飞轮的转动惯量计算出。根据动力学方程，改变飞轮的质量分布便可改变惯容量。在应用过程中，齿轮齿条式惯容由于采用匀质飞轮，一经设计其惯容量不可改变。
文IEEE Transactions on Control Systems Technology，2017，25(1)：294-300中指出可以在滚珠丝杠的基础上，将其中的飞轮设计为带有滑块的结构，通过调节滑块在飞轮上的相对位置，达到改变飞轮的转动惯量的效果，进而使滚珠丝杠式惯容的惯容量可调。这种半主动式惯容可以更好的适应于不同的工作环境，为惯容的设计提供了新的思路，但存在以下缺点：1、滑块的移动需要在导轨上进行，日常使用磨损较大；2、由于滑块设计在飞轮外部，倘若质量由于磨损减少，会导致转动惯量发生变化，从而导致惯容量不精确等问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种主动连续的惯容量可调的惯容装置。
技术方案：本发明所述的一种惯容量可调的惯容装置，包括飞轮，飞轮通过第一转轴与传动装置相连，传动装置固定在箱体内侧，飞轮异于第一转轴的一侧设置互相垂直且连通的主管和侧管，主管与第一转轴同轴，主管内设置主管活塞，主管活塞通过滚珠轴承与推拉杆相连，侧管内设置侧管活塞，侧管的端部设置凸起，主管活塞、主管、侧管活塞、侧管围合而成的区域充满液体，液体仅在推动主管活塞移动时运动。
主管活塞的半径与主管相同。侧管活塞的半径与侧管相同。推拉杆与电机相连。
侧管为两个开口相对的U型管，U型管包括长管、短管和连接管，侧管活塞设置在短管内。为了增强密封性，短管靠近连接管的一端设置凸起，防止侧管活塞进入弧形的连接管，使侧管活塞仅在直线管内活动，密封性较好。长管与飞轮固定连接。
传动装置包括第一小齿轮、大齿轮和第二小齿轮，第一小齿轮通过第一转轴与飞轮相连，第一小齿轮和大齿轮啮合，大齿轮通过第二转轴与第二小齿轮相连。第二小齿轮与齿条啮合。第一转轴与箱体通过轴承连接。
工作原理：低惯容量时，主管活塞在电机拖动下向外拉，将侧管内液体抽入主管内，侧管活塞随短管内液体流入长管移向近弧形连接管处，使得主管内液体增多、侧管内液体减少，进而使得飞轮质量分布集中于轴，飞轮转动惯量减少；高惯容量时，主管活塞在电机拖动推动下向内推动，将主管内液体挤入侧管，侧管活塞随长管液体流入短管移向近主管连接管处，使得主管内液体减少、侧管内液体增加，进而使得飞轮质量分布向轴外分散，飞轮转动惯量增加。侧管数量以及液体的根据实际需要的惯容量计算而定。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：惯容量可以进行主动连续地进行改变，能够适应不同情况下的工程需求；整体装置的体积小，在实际安装时更加便捷。
附图说明
图1是本发明的主视图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明侧管6的剖视图。
图4是本发明滚珠轴承8的剖视图。
图5为本发明低惯容量时主管5的剖视图。
图6为本发明高惯容量时主管5的剖视图。
具体实施方式
如图1，齿条305安置于箱体4的导轨内，可进行平动，齿条305和箱体4是惯容的两个相对自由端点。如图2～4，齿条305与第二小齿轮303相啮合，大齿轮302通过第二转轴304与第二小齿轮303相连，第一小齿轮301和大齿轮302啮合，第一小齿轮301通过第一转轴2与飞轮1相连，第一转轴2通过轴承与箱体4相连。在飞轮1上安装异T型储液管，轴向称为主管5，径向称为侧管6，储液管内密封充液，并仅在推拉杆9位移时流动。侧管6为两个开口相对的U型管，U型管包括长管601、短管602和连接管603，短管602内有侧管活塞10。短管602末端和初端内壁有凸起，保证侧管活塞10仅在短管602内滑动。长管601与飞轮1固定连接。主管活塞7的半径与主管5相同。侧管活塞10的半径与侧管6相同。主管活塞7与滚珠轴承室紧密相连，同速转动；推拉杆9通过滚珠轴承8与轴承室相连，不随主管5转动，仅在推拉运动时沿主管5轴向位移，推拉杆9与电机相连。该方式保证了飞轮1旋转过程中主管5和侧管6的密闭性，同时实现了液体随推拉杆9推拉运动而改变其存储位置。
设第一小齿轮301半径为r1，大齿轮302半径为r2，第二小齿轮303半径为r3，飞轮1的转动惯量为J，质量为m。为便于计算说明，现提出以下合理假设：
假设一：侧管6液柱为两段等半径圆柱，半径为r；主管5液柱为半径R0的规则圆柱。
假设二：主管5的外壳、侧管6的外壳、主管活塞7、侧管活塞10均为轻质，即转动惯量仅与管内液体的质量有关。
假设三：在低惯容量状态时，侧管6仅有一段管有液体，如图6所示。
假设四：主管5内液柱与壁的摩擦足够大且液柱为一整体，即主管5内液柱随之一起转动。
假设五：箱体4运动速度v1＝0，齿条305的运动速度为v2，作用于齿条305的力为F，惯容量为b，根据齿轮传动的运动特点，可以得到如下的关系式：
根据惯容的动力学定义，有
由式(1)和式(2)可知，齿轮齿条式惯容的惯容量为：
由刚体转动惯量的定义知，它等于刚体内各质点的质量与质点到轴的垂直距离平方的乘积之和，即
根据以上推导，由式(3)和式(4)可知，改变飞轮1的质量分布可有效提高飞轮1的转动惯量，以此来实现惯容量的主动调节。
下面结合推导的结论对本发明进一步说明：
本发明是通过改变飞轮1上质量分布的方法来来改变飞轮1的转动惯量，从而实现齿轮齿条式惯容的惯容量的调节的，具体工作状态可分为高惯容量状态和低惯容量状态：
如图5所示，在低惯容量状态时：通过推拉杆9将侧管6内液体抽入主管5内，即此时主管5内液体增多，侧管6内液体减少，转动惯量减少。设主管5半径为R0，侧管6长度为R2，主管5内液柱长度为L1，液体密度为ρ，则根据假设条件和公式(4)，得到此时储液管转动惯量为：
此时液柱状态如图5所示。
如图6所示，在高惯容状态时：通过推拉杆9将侧管6内液体推入主管5内，即此时主管5内液体减少侧管6内液体增加，转动惯量增大。设主管5半径为R0，侧管6长度为R2，侧管6长度为R1，主管5内液柱长度为L2，液体密度为ρ，则根据假设条件和公式(4)，得到此时储液管转动惯量为：
又因为储液管完全封闭液体总量不变，得：
由式(5)、(6)和(7)可得，储液管转动惯量的最大改变量：
对式(6)和(7)进行参数整定：
主管半径和侧管半径的选择参考了市面上常见的注射器半径；主管半径为R0＝25mm侧管半径为r＝17.5mm；推杆行程(常见的步进电机行程为300mm)：所以整定行程差为11-12＝300mm，根据式
侧管的短管长度为：R1＝306mm；为尽可能减少主管液体内旋的影响，12选取尽量短，且12≥2r(主管活塞最深不应超过侧管与主管连接处)，因此选取：12＝50mm，则11＝200mm；
侧管的长管长度整定：
对式(9)
的最大值进行规划得，当R2＝646.1mm时，所得比值最大为
综上参数得到，JΔ＝8.1×104N·m。由此可见转动惯量的改变是可行的，且理想条件下改变倍数接近一倍。
Claims (8)
1.一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：包括飞轮(1)，所述飞轮(1)通过第一转轴(2)与传动装置(3)相连，所述传动装置(3)固定在箱体(4)内侧，所述飞轮(1)异于第一转轴(2)的一侧设置互相垂直且连通的主管(5)和侧管(6)，所述主管(5)与第一转轴(2)同轴，所述主管(5)内设置主管活塞(7)，所述主管活塞(7)通过滚珠轴承(8)与推拉杆(9)相连，所述侧管(6)内设置侧管活塞(10)，所述侧管(6)的端部设置凸起，所述主管活塞(7)、主管(5)、侧管活塞(10)、侧管(6)围合而成的区域充满液体；
所述侧管(6)为两个开口相对的U型管，所述U型管包括长管(601)、短管(602)和连接管(603)，所述侧管活塞(10)设置在短管(602)内；
所述推拉杆(9)与电机相连；
低惯容量时，主管活塞(10)在电机拖动下向外拉，将侧管(6)内液体抽入主管(5)内，侧管活塞(10)随短管(602)内液体流入长管(601)移向近弧形连接管(603)处，使得主管(5)内液体增多、侧管(6)内液体减少，进而使得飞轮(1)质量分布集中于第一转轴(2)，飞轮(1)转动惯量减少；
高惯容量时，主管活塞(10)在电机拖动推动下向内推动，将主管(6)内液体挤入侧管(6)，侧管活塞(10)随长管(601)液体流入短管(602)移向近主管(5)连接管(603)处，使得主管(5)内液体减少、侧管(6)内液体增加，进而使得飞轮(1)质量分布向第一转轴(2)外分散，飞轮(1)转动惯量增加。
2.根据权利要求1所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述主管活塞(7)的半径与主管(5)相同。
3.根据权利要求1所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述侧管活塞(10)的半径与侧管(6)相同。
4.根据权利要求1所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述短管(602)靠近连接管(603)的一端设置凸起。
5.根据权利要求1所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述长管(601)与飞轮(1)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述传动装置(3)包括第一小齿轮(301)、大齿轮(302)和第二小齿轮(303)，所述第一小齿轮(301)通过第一转轴(2)与飞轮(1)相连，所述第一小齿轮(301)和大齿轮(302)啮合，所述大齿轮(302)通过第二转轴(304)与第二小齿轮(303)相连。
7.根据权利要求6所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述第二小齿轮(303)与齿条(305)啮合。
8.根据权利要求6或7所述的一种惯容量可调的惯容装置，其特征在于：所述第一转轴(2)与箱体(4)通过轴承连接。
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