CN110439966A - 平衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平衡装置,包括输入轴和平衡轴,输入轴与平衡轴之间设有变速装置,平衡轴上设有平衡扭矩装置;平衡扭矩装置对平衡轴施加的平衡扭矩与平衡轴的旋转角速度之间满足:其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;p为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;变速装置控制平衡轴与输入轴之间的传动比与输入轴受到的输入扭矩之间满足:其中,M1为输入轴的输入扭矩;C1为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度;或,还包括与输入轴传动连接的动力装置;变速装置控制平衡轴与输入轴之间的传动比与动力装置输出到输入轴上的输出功率之间满足:其中,P为动力装置输出到输入轴上的输出功率;C2为常数;ω1为输入轴的角速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种平衡装置。
背景技术
在经济飞速发展的今天,城市的高层建筑越来越多,楼层也越来越高,因而高层建筑内发生意外险情的可能性也随之增加。一旦发生险情,比如火灾,居住在高层建筑里的人们,如何迅速逃生就变得至为重要。火灾等险情发生时,遇险人员往往被困在房屋内,无法通过楼道消防楼梯等设施逃生,且由于楼层过高,消防云梯等设备也无法到达指定高度,无法解救遇险人员。即便在施救现场铺设消防气垫,遇险人员从高处跳下也会因为消防气垫承受限制等多种原因,也往往会导致遇险人员出现伤亡。另外,随着社会的发展,户外运动越来越受到人们的欢迎。户外活动中,攀岩以及岩降等运动存在较大风险,稍有不慎,则会导致人员伤亡。
高层火灾往往会导致楼层供电系统损坏,户外运动由于条件限制,往往也不具备供电设施设备,因此,在这样的环境下,急需一种不使用外接动力设备的条件下实现缓降的缓降装置。
公开号为CN201643453U的中国专利公开了一种高空缓降装置,该高空缓降装置是由外壳、绳轮、齿轮变速机构、离心摩擦减速机构、主轴和绳索组成,外壳为圆柱形结构,外壳内侧沿圆周左侧设置有摩擦层,外壳内侧沿圆周面右侧为内齿圈结构,绳轮安装在主轴中央,绳轮相对于主轴可自由旋转,主轴安装在外壳的轴孔中,主轴在外壳轴孔内可自由旋转,齿轮变速机构是采用NGW行星轮系,安装固定在绳轮右侧的主轴上,齿轮变速机构包括太阳轮、内齿圈、行星轮,太阳轮在绳轮的右侧固定在主轴上,行星轮安装在绳轮的右侧面上,行星轮同时与太阳轮和外壳的内齿圈相啮合,离心减速机构安装固定在绳轮左侧的主轴上,离心减速机构由离心轮和离心摩擦块组成,在离心轮外沿周面开有凹槽,离心摩擦块置于凹槽内,绳索缠绕于绳轮上在外壳下部伸出。
该高空缓降装置利用离心摩擦块的旋转运动产生离心力,并使离心摩擦块与摩擦层之间产生摩擦力,利用摩擦力对主轴产生的平衡扭矩来平衡绳轮施加在主轴上的输入扭矩。但主轴旋转的速度会随着输入扭矩的增大而增大、随着输入扭矩的减小而减小,即下降速度不稳定。特别的,若遇险者的体重过小时,由重力作用施加到主轴上的输入扭矩则比较小,此时可能存在下降速度过低的问题,无法达到逃生的目的;体重过大,由重力作用施加到主轴上的输入扭矩则比较大,则又可能导致下降速度过大的问题,过大的下降速度给对使用者的人身安全造成威胁,也达不到逃生的目的。
公开号为CN203154630U的中国专利公开了一种自适应连续缓降消防逃生装置,包括壳体,所述壳体内设有绕线轴和调速轴;所述调速轴上设有转速自适应调节机构,所述转速自适应调节机构包括固定安装在所述调速轴上的普利珠盘、套装在调速轴上并与调速轴单自由度滑动配合的摩擦盘Ⅰ和与摩擦盘Ⅰ对应设置的摩擦盘Ⅱ,所述摩擦盘Ⅰ位于所述普利珠盘与摩擦盘Ⅱ之间,所述普利珠盘面向所述摩擦盘Ⅰ的侧面上设有用于驱动摩擦盘Ⅰ向所述摩擦盘Ⅱ滑动的普利珠臂组件,所述摩擦盘Ⅱ固定设置在所述壳体上,且所述摩擦盘Ⅰ和摩擦盘Ⅱ之间设有相互紧密贴合的摩擦面;所述绕线轴和调速轴之间设有传动机构,所述绕线轴上设有用于盘绕逃生绳的绕线盘和用于驱动所述绕线盘旋转收卷逃生绳的手柄机构,且所述绕线轴上设有位于所述绕线盘与所述传动机构的设有单向离合器。
该自适应连续缓降消防逃生装置本质上也是利用普利珠臂组件的离心力使摩擦盘Ⅰ与摩擦盘Ⅱ之间产生摩擦力扭矩来平衡绕线轴输入的扭矩作用,同样存在下降速度不稳定导致达不到逃生目的的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种平衡装置,可实现在不同输入扭矩或输入功率作用下,输入轴的转速均可保持在设定范围内。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种平衡装置,包括输入轴和平衡轴,所述输入轴与平衡轴之间设有变速装置,所述平衡轴上设有平衡扭矩装置;
所述平衡扭矩装置对所述平衡轴施加的平衡扭矩与所述平衡轴的旋转角速度之间满足:
其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;k为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;
所述变速装置控制所述平衡轴与所述输入轴之间的传动比与所述输入轴受到的输入扭矩之间满足:
其中,M1为输入轴的输入扭矩;C1为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度;
或,还包括与所述输入轴传动连接的动力装置;
所述变速装置控制所述平衡轴与所述输入轴之间的传动比与所述动力装置输出到所述输入轴上的输出功率之间满足:
其中,P为动力装置输出到输入轴上的输出功率;C2为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度。
进一步,所述平衡扭矩装置采用离心摩擦装置、涡流制动装置或空气阻力器。
进一步,所述变速装置包括与所述输入轴传动连接的主动轮和与所述平衡轴传动连接的从动轮,所述主动轮与从动轮之间设有传动带;所述主动轮和/或从动轮与所述传动带之间的传动半径可调节;且:
当所述主动轮与所述传动带之间的传动半径可调节时,
所述主动轮包括同轴设置的第一主动轮和第二主动轮,所述第一主动轮和/或第二主动轮为可沿着轴向方向移动的主动动轮;
当所述从动轮与所述传动带之间的传动半径可调节时,
所述从动轮包括同轴设置的第一从动轮和第二从动轮,所述第一从动轮和/或第二从动轮为可沿着轴向方向移动的从动动轮。
进一步,当所述主动轮与所述传动带之间的传动半径可调节时,
所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴受到的输入扭矩或输入功率之间成正比;且所述主动动轮和所述传动带之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成正比;或,
所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴受到的输入扭矩或输入功率的幂次方之间成正比;且所述主动动轮与所述传动带之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比;
当所述从动轮与所述传动带之间的传动半径可调节时,
所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴受到的输入扭矩或输入功率之间成正比;且所述从动动轮与所述传动带之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成反比;或,
所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴受到的输入扭矩或输入功率的幂次方之间成反比;且所述从动动轮与所述传动带之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比。
进一步,所述变速装置还包括用于使所述传动带始终保持拉紧状态的拉紧轮,所述拉紧轮的转轴上设有用于提供拉紧预紧力的拉紧力机构。
进一步,还包括用于对所述输入轴施加所述输入扭矩的扭矩输入装置;
所述扭矩输入装置包括用于缠绕绳带并在绳带的张力作用下转动或与外置的绳带滚动配合的带轮,所述带轮套装在所述输入轴上并与所述输入轴同步转动;或所述带轮的转轴与所述输入轴之间传动连接。
进一步,还包括用于调节所述变速装置的传动比的变速调节机构;
所述变速调节机构包括用于驱动对应的所述主动动轮或从动动轮沿其轴向方向移动的拨杆,所述拨杆与对应的所述主动动轮或从动动轮之间旋转配合并与对应的所述主动动轮或从动动轮同步轴向移动;
所述变速调节机构还包括用于驱动所述拨杆沿着对应的所述主动动轮或从动动轮轴向方向移动的变速驱动机构。
进一步,所述变速驱动机构包括用于导向所述绳带的滑轮组,所述滑轮组包括动滑轮,所述动滑轮在所述绳带张力的作用下可沿垂直于其轴线的方向移动,且所述动滑轮沿垂直于其轴线的方向移动的距离与所述绳带的张力之间成正比;所述动滑轮与所述拨杆之间设有用于驱动所述拨杆沿对应的所述主动动轮或从动动轮的轴向方向移动的调节驱动机构;且:
当所述主动动轮与所述传动带之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成正比时,所述拨杆驱动对应的所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比;
当所述主动动轮与所述传动带之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比时,所述拨杆驱动对应的所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成正比;
当所述从动动轮与所述传动带之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成反比时,所述拨杆驱动对应的所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比;
当所述从动动轮与所述传动带之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比时,所述拨杆驱动对应的所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成反比。
进一步,所述调节驱动机构包括用于对所述拨杆施加平行于对应的所述主动动轮或从动动轮沿轴向方向的轴向力的施力机构和用于平衡所述轴向力的弹力平衡机构,所述弹力平衡机构用于施加与所述轴向力方向相反的弹力。
进一步,当所述拨杆驱动对应的所述主动动轮或从动动轮沿轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比时;所述施力机构包括拉力带和用于导向所述拉力带的导向轮,所述拉力带的第一端与所述动滑轮的移动方向平行、第二端与所述拨杆的移动方向平行;或,所述施力机构包括与对应的所述主动动轮或从动动轮的轴线垂直的第三施力杆,所述第三施力杆靠近对应的所述主动动轮或从动动轮的一端设有第三施力面,所述第三施力面与对应的所述拨杆接触配合,同时过所述第三施力杆轴线以及对应的所述主动动轮或从动动轮的轴线的平面在所述第三施力面上截得的直线的解析几何方程可表示为:y=a1x+b1,其中,a1、b1均为方程系数,a1≠0;所述第一施力杆与所述动滑轮同步移动,或所述第一施力杆沿其轴线方向上的移动距离与所述动滑轮沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比;
当所述拨杆驱动对应的所述主动动轮沿轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成正比时,所述施力机构包括与对应的所述主动动轮的轴线垂直的第一施力杆,所述第一施力杆靠近对应的所述主动动轮的一端设有第一施力面,所述第一施力面与对应的所述拨杆接触配合,且同时过所述第一施力杆轴线以及对应的所述主动动轮的轴线的平面在所述第一施力面上截得的曲线的解析几何方程可表示为:y=a2xn+b2,其中,a2、b2均为方程系数,a2≠0;所述第一施力杆与所述动滑轮同步移动,或所述第一施力杆沿其轴线方向上的移动距离与所述动滑轮沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比;
当所述拨杆驱动对应的所述从动动轮沿轴向方向移动的距离与所述动滑轮沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成反比时,所述施力机构包括与对应的所述从动动轮的轴线垂直的第二施力杆,所述第二施力杆靠近对应的所述从动动轮的一端设有第二施力面,所述第二施力面与对应的所述拨杆接触配合,且同时过所述第二施力杆轴线以及对应的所述从动动轮的轴线的平面在所述第二施力面上截得的曲线的解析几何方程可表示为:
其中,a3、b3均为方程系数,a3≠0;
所述第二施力杆与所述动滑轮同步移动,或所述第二施力杆沿其轴线方向上的移动距离与所述动滑轮沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比。
本发明的平衡装置的原理如下:
平衡装置的平衡条件为:输入扭矩M1与平衡扭矩M2相等;
当变速装置控制所述平衡轴与输入轴之间的传动比与输入轴受到的输入扭矩之间满足:
则可得到输入轴的角速度为:
即输入轴的角速度与输入轴的输入扭矩无关,平衡力矩系数根据平衡扭矩装置的结构参数计算,一般为定值,因此,本发明的平衡装置可实现在不同输入扭矩作用下,输入轴的转速均可保持在较小范围内变化甚至保持恒定的技术目的;
当变速装置控制所述平衡轴与输入轴之间的传动比与动力装置输出到输入轴上的输出功率之间满足:
且对于输入轴而言,动力装置输出到输入轴上的输出功率与输入轴受到的输入扭矩以及输入轴的转速相关,并可表示为:
P=M1ω1
其中,M1为输入轴的输入扭矩;则:
同理,输入轴的角速度与动力装置输出到输入轴上的输出功率无关,平衡力矩系数根据平衡扭矩装置的结构参数计算,一般为定值,因此,本发明的平衡装置可实现在不同输入功率作用下,输入轴的转速均可保持在较小范围内变化甚至保持恒定的技术目的。
本发明的有益效果在于:
本发明的平衡装置,通过将平衡扭矩装置对平衡轴施加的平衡扭矩设定为与其角速度的n幂次方成正比,将变速装置的传动比设定为与输入扭矩的幂次方成正比,如此即可使输入轴在不同的输入扭矩或输入功率作用下,均保持在设定范围内的角速度范围内旋转,甚至保持在恒定的角速度旋转,达到速度平衡的技术目的。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明平衡装置实施例1的原理性结构示意图;
图2为采用普利珠臂的平衡扭矩装置的原理结构图;
图3为本实施例平衡装置的第一种结构的结构示意图;
图4为图3的A-A剖视图;
图5为图3的B详图;
图6为本实施例平衡装置的第二种结构的结构示意图;
图7为图6的C详图;
图8为本实施例平衡装置的第三种结构的结构示意图;
图9为图8的D详图;
图10为本实施例平衡装置的第四种结构的结构示意图;
图11为图10的E详图;
图12为本实施例平衡装置的第五种结构的结构示意图;
图13为图12的F详图;
图14为本实施例平衡装置的第六种结构的结构示意图;
图15为图14的G详图;
图16为补偿传动带对第一主动轮和第二主动轮施加的轴向分力作用时的理论位置和实际位置之间的关系示意图;
图17为本发明平衡装置实施例2的结构示意图;
图18为本发明平衡装置实施例3的结构示意图;
图19为本发明平衡装置实施例4的结构示意图。
附图标记说明:
10-输入轴;20-平衡轴;21-从动齿轮;
30-变速装置;31-主动轮;311-第一主动轮;312-第二主动轮;32-从动轮;321-第一从动轮;322-第二从动轮;33-传动带;34-拉紧轮;35-拉紧力机构;36-主动齿轮;
40-平衡扭矩装置;41-圆形摩擦内壁;42-离心轮;421-离心摩擦块;422-导向轨道;43-普利珠盘;44-摩擦盘Ⅰ;45-摩擦盘Ⅱ;46-普利珠臂组件;47-带轮;471-带轮轴;472-带传动机构;48-绳带;
51-动滑轮;52-调节滑轨;53-拨杆;54-拉力带;55-转向轮;56-弹簧;57-第一导向杆;58-第二导向杆;59-定滑轮;60-第一施力杆;61-第一施力面;62-第二施力杆;63-第二施力面;64-弹簧;65-弹簧;66-滚轮;67-滚轮;68-第三施力杆;69-第三施力面;
70-动力装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示,为本发明平衡装置实施例1的原理性结构示意图。本实施例的平衡装置,包括输入轴10和平衡轴20,输入轴10与平衡轴20之间设有变速装置30。平衡轴20上设有平衡扭矩装置40,平衡扭矩装置40对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足:
其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;k为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;
变速装置30控制平衡轴20与输入轴10之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩之间满足:
其中,M1为输入轴的输入扭矩;C1为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度;
则可得到输入轴的角速度为:
即输入轴10的角速度与输入轴10的输入扭矩无关,平衡力矩系数根据平衡扭矩装置40的结构参数计算,一般为定值。因此,在理论情况下,不论输入轴10的输入扭矩的大小如何,输入轴10的旋转角速度始终保持恒定,即输入轴10可保持恒速旋转;考虑到平衡装置内部结构之间存在的阻力,本实施例的平衡装置可实现在不同输入扭矩作用下,输入轴10的转速均可保持在较小范围内变化,同时若补偿平衡装置内部阻力,也可实现输入轴10保持恒速旋转的目的。
进一步,平衡扭矩装置40可以采用多种结构实现,具体的,平衡扭矩装置40可以采用离心摩擦装置、涡流制动装置或空气阻力器。本实施例的平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置,具体的,本实施例的离心摩擦装置包括圆形摩擦内壁41,圆形摩擦内壁41内设有与平衡轴20传动连接并可相对于圆形摩擦内壁41转动的离心轮42,离心轮42上设有在离心力作用下朝径向向外的方向移动并与圆形摩擦内壁41摩擦配合的离心摩擦块421,离心轮42上设有用于导向离心摩擦块421的导向轨道422。
采用该结构的平衡扭矩装置40时,离心摩擦块421与圆形摩擦内壁41之间的摩擦力为:
其中,f为所有离心摩擦块421与圆形摩擦内壁41之间的摩擦力;
s为大于等于1的正整数,且s等于离心摩擦块421的个数;
μi为第i块离心摩擦块421与圆形摩擦内壁41之间的摩擦系数;
mi为第i块离心摩擦块421的质量;
r2i为第i块离心摩擦块421与所述圆形摩擦内壁41摩擦配合时,该第i块离心摩擦块(421)的重心相对于所述离心轮42轴线的旋转半径。
则,平衡轴20受到的平衡扭矩为:
其中,R2为离心摩擦块421与圆形摩擦内壁41之间摩擦面的半径;
由此可知,当平衡扭矩装置40采用本实施例的离心摩擦装置时,n=2,平衡力矩系数:
在优选方案中,离心摩擦块421环形均布设置为至少两个,导向轨道422与离心摩擦块421一一对应设置,导向轨道422位于离心轮42的径向方向上,可减小离心摩擦块421与离心轮42之间的阻力。即在优选方案中,所有离心摩擦块421质量相等,所有离心摩擦块421与圆形摩擦内壁41之间的摩擦系数相等,所有离心摩擦块421的中心距离离心轮42的轴线的距离相等,则k=μm总r2R2,其中,m总为所有离心摩擦块421的质量之和。即该平衡扭矩装置40中,当平衡扭矩装置40的结构参数设定后,平衡力矩系数为定值。
在一些实施例中,导向轨道422的中心线位于径向向外的一端的切线与离心摩擦块421的切向速度方向之间的夹角小于90°,可改善离心摩擦块421的切向受力作用,由于该角度为定值,此时的平衡力矩系数也为与该角度的正弦相关的定值,不再累述。
离心摩擦装置还可以采用其他多种结构形式,如离心摩擦装置包括固定安装在平衡轴20上的普利珠盘43、套装在平衡轴20上并与平衡轴20单自由度滑动配合的摩擦盘Ⅰ44和与摩擦盘Ⅰ44对应设置并可相对于摩擦盘Ⅰ44转动的摩擦盘Ⅱ45,摩擦盘Ⅰ44位于普利珠盘43与摩擦盘Ⅱ45之间,普利珠盘43面向摩擦盘Ⅰ44的侧面上设有用于驱动摩擦盘Ⅰ44向摩擦盘Ⅱ45滑动的普利珠臂组件46,且摩擦盘Ⅰ44和摩擦盘Ⅱ45相向的侧面上分别设有摩擦面。该结构的离心摩擦装置可以参考公开号为CN203154630U的中国专利公开了一种自适应连续缓降消防逃生装置,不再累述。
该结构的离心摩擦装置的原理图如图2所示。设摩擦力在摩擦盘Ⅰ44和摩擦盘Ⅱ45之间的摩擦面径向均匀分布,则该结构的离心摩擦装置的平衡扭矩为:
由此可知,当平衡扭矩装置40采用该结构的离心摩擦装置时,n=2,平衡力矩系数:k=μ'm'总(R'2-L'cosα)(R'-r')sinαcosα。
其中,μ'为摩擦盘Ⅰ44与摩擦盘Ⅱ45之间的摩擦系数;
m'总为所有普利珠臂组件46的质量之和;
R'2为普利珠臂组件46与普利珠盘43之间的铰接连接点与平衡轴20的轴线之间的距离;
L'为普利珠臂组件46的重心与普利珠臂组件与普利珠盘43之间的铰接连接点的距离;
α为普利珠臂组件46与摩擦盘Ⅰ44之间的夹角;
R'为摩擦面的最大半径;
r'为摩擦面的最小半径;
由于摩擦盘Ⅰ44与摩擦盘Ⅱ45之间接触配合后,普利珠臂组件46无法在离心力作用下继续向外转动,则可视为α保持不变,即该结构的平衡扭矩装置40的平衡力矩系数也为定值。
由此可知,当平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置时,平衡扭矩与平衡轴20的角速度ω2的平方成正比。
另外,在一些实施例中,由于尺寸限制,可以在平衡轴20上间隔设置多个平衡扭矩装置40,以实现在较低旋转角速度的条件下对平衡轴20施加较大的平衡力矩的技术目的,从而最终降低输入轴10的旋转角速度,如图12所示。
进一步,本实施例的变速装置30包括与输入轴10传动连接的主动轮31和与平衡轴20传动连接的从动轮32,主动轮31与从动轮32之间设有传动带33。主动轮31和/或从动轮32与传动带33之间的传动半径可调节。即本实施例的变速装置30采用无级变速器装置。具体的,变速装置30可以采用多种结构实现。
1)当主动轮31与传动带33之间的传动半径可调节时,主动轮31包括同轴设置的第一主动轮311和第二主动轮312,第一主动轮311和/或第二主动轮312为可沿着轴向方向移动的主动动轮。本实施例的第一主动轮311和第二主动轮312均为可沿着轴向方向移动的主动动轮,如图3-9所示。当然,在一些实施例中,可以将第一主动轮311轴向固定,将第二主动轮312设置为可沿轴向方向移动的主动动轮,也可以将第二主动轮312轴向固定,将第一主动轮311设置为可沿轴向方向移动的主动动轮,即主动动轮仅设置一个,其原理相当,不再累述。
此时,要实现变速装置30控制平衡轴20与输入轴10之间的传动比a与输入轴10受到的输入扭矩M1的幂次方成正比的技术目的,也可以采用多种方案:
第一种方案:主动动轮沿其轴向方向移动的距离与输入轴10受到的输入扭矩之间成正比;且主动动轮与传动带33之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成正比,此时过主动动轮的轴线的截面在主动动轮与传动带33配合的配合面上截得的曲线的解析几何方程式可表示为:y=|a4xn+b4|,其中,a4、b4均为方程系数,a4≠0,该解析几何方程式的y轴与主动动轮的轴线共线。由于本实施例的平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置,则n=2,即本实施例的第一主动轮311和/或第二主动轮312与传动带33之间配合的配合面31a为抛物面,也即过主动动轮轴线的任意平面在该配合面上截得的曲线为抛物线,本实施例的第一主动轮311和第二主动轮312与传动带33之间配合的配合面31a均为抛物面,如图3-7所示。当然,也可以仅将第一主动轮311与传动带33之间配合的配合面设为抛物面,将第二主动轮312与传动带33之间配合的配合面设为圆锥面甚至是垂直于主动轮31轴线的平面;或也可以仅将第二主动轮312与传动带33之间配合的配合面设为抛物面,将第一主动轮311与传动带33之间配合的配合面设为圆锥面甚至是垂直于主动轮31轴线的平面,均可满足要求。如此,即可使主动轮31与传动带33之间的传动半径与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比,从而使主动轮31与从动轮32之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比。
第二种方案:主动动轮沿其轴向方向移动的距离与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比;且主动动轮与传动带33之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比。即此时的主动动轮与传动带33配合的配合面31b为传统无级变速器采用的圆锥面。此时,过主动动轮的轴线的截面在驱动主动动轮沿其轴向方向移动的驱动面上截得的曲线的解析几何方程式可表示为:y=|a2xn+b2|,其中,a2、b2均为方程系数,a2≠0,该解析几何方程式的y轴与主动动轮的轴线垂直。由于本实施例的平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置,则n=2,即本实施例驱动主动动轮沿其轴向方向移动的驱动面为沿与主动动轮的轴线垂直的方向移动的抛物面,如图8-9所示。如此,也可使主动轮31与传动带33之间的传动半径与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比,从而使主动轮31与从动轮32之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比。
2)当从动轮32与传动带33之间的传动半径可调节时,从动轮32包括同轴设置的第一从动轮321和第二从动轮322,第一从动轮321和/或第二从动轮322为可沿着轴向方向移动的从动动轮,如图10-15所示。具体的,可以将第一从动轮321和第二从动轮322设置为均为可沿着轴向方向移动的从动动轮;也可以将第一从动轮321轴向固定,将第二从动轮322设置为可沿轴向方向移动的从动动轮;也可以将第二从动轮322轴向固定,将第一从动轮321设置为可沿轴向方向移动的从动动轮,其原理相当,不再累述。本实施例的第一从动轮321和第二从动轮322均设置为可沿着轴向方向移动的从动动轮。
此时,要实现变速装置30控制平衡轴20与输入轴10之间的传动比a与输入轴10受到的输入扭矩M1的幂次方成正比的技术目的,也可以采用多种方案:
第一种方案:从动动轮沿其轴向方向移动的距离与输入轴10受到的输入扭矩之间成正比;且从动动轮与传动带33之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成反比。此时过从动动轮轴线的截面在从动动轮与传动带33配合的配合面上截得的曲线的解析几何方程式可表示为:a5、b5均为方程系数,a5≠0,该解析几何方程式的y轴与从动动轮的轴线共轴。由于本实施例的平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置,则n=2,如图10-13所示。即过从动轮32轴线的任意平面在第一从动轮321和/或第二从动轮322与传动带33配合的配合面32a上截得的曲线的解析几何方程可表示为:
如此,即可使从动轮32与传动带33之间的传动半径与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成反比,进而可使主动轮31与从动轮32之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比。
第二种方案:从动动轮沿其轴向方向移动的距离与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成反比;且从动动轮与传动带33之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比,此时,过从动动轮的轴线的截面在驱动从动动轮沿其轴向方向移动的驱动面上截得的曲线的解析几何方程式可表示为:其中,a3、b3均为方程系数,a3≠0,该解析几何方程式的y轴与从动动轮的轴线垂直,如图14-15所示。即此时的从动动轮与传动带33配合的配合面32b为传统无级变速器采用的圆锥面,由于本实施例的平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置,则n=2,过从动动轮的轴线的截面在驱动从动动轮沿其轴向方向移动的驱动面上截得的曲线的解析几何方程式可表示为:
如此,也可使从动轮32与传动带33之间的传动半径与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成反比,进而可使主动轮31与从动轮32之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方之间成正比。
在实际应用中,可以将主动轮31设置为与传动带33之间的传动半径可调节,将从动轮32设置为与传动带33之间的传动半径为固定值;也可以将从动轮32设置为与传动带33之间的传动半径可调节,将主动轮31设置为与传动带33之间的传动半径为固定值;还可以同时将主动轮31和从动轮32设置与传动带33之间的传动半径可调节,不再累述。
当然,在一些实施例中,还可以在本实施例的无级变速器上串联设置传动比固定或传动比可在有限的几个数值之间切换的变速机构,这些变速机构包括但不限于齿轮传动机构、带传动机构以及链传动机构等,这些变速机构与本实施例的无级变速器共同构成变速装置30,也可使变速装置30的传动比与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方成正比。
优选的,变速装置30还包括用于使传动带33始终保持拉紧状态的拉紧轮34,拉紧轮34的转轴上设有用于提供拉紧预紧力的拉紧力机构35,拉紧预紧力可使传动带33分别与主动轮31和从动轮32之间具有足够的摩擦力,防止打滑。当然,也可以在传动带33与主动轮31之间以及传动带33与从动轮32之间设置防滑结构等,不再累述。
本实施例的从动轮32的转轴与平衡轴20之间传动连接。具体的本实施例的从动轮32上设有主动齿轮36,平衡轴20上设有从动齿轮21,主动齿轮36和从动齿轮21啮合,即本实施例在无级变速器上串联设置了齿轮传动机构。
当然,除了上述结构的无级变速器外,变速装置30还可以采用其他多种结构方式的无级变速器来实现传动比与输入轴10受到的输入扭矩的幂次方成正比的技术目的,不再累述。
进一步,本实施例的平衡装置还包括用于对输入轴10施加输入扭矩的扭矩输入装置。扭矩输入装置包括用于缠绕绳带48并在绳带48的拉力作用下转动或与外置的绳带48滚动配合的带轮47。本实施例的扭矩输入装置包括用于缠绕绳带48并在绳带48的拉力作用下转动的带轮47,带轮47在受到绳带48拉力作用下旋转,进而对输入轴10施加输入扭矩。当然,扭矩输入装置还可以为包括与外置的绳带48滚动配合的带轮47,即先将绳带48布置好,使平衡装置沿着绳带48移动,利用带轮47与绳带48之间的滚动配合,驱动带轮47转动,进而对输入轴10施加输入扭矩。
注:本实施例的绳带48可以包含多种形式,既可以采用传统意义上的可以缠绕的绳子,也可以采用能够与带轮47啮合的如齿条等结构形式,甚至可以为将绳带48理解为轨道,利用轨道与带轮47之间的啮合或摩擦关系,驱动带轮47转动。
具体的,带轮47可以直接套装在输入轴10上并与输入轴10同步转动,或可以将带轮47设置为其转轴42与输入轴10之间传动连接,均可实现利用带轮47对输入轴10施加扭矩的作用,本实施例的带轮47安装在带轮轴471上,带轮轴471与输入轴10之间设有带传动机构472。具体的,也可以在带轮轴471与输入轴10之间设置齿轮传动机构或链传动机构等,均可实现对输入轴10施加输入扭矩的技术目的,其原理相当,不再累述。
具体的,带轮47受到的扭矩作用为:
M拉=F拉R带
其中,F拉为绳带47受到的拉力;R带为带轮47的半径;M拉为带轮47受到的扭矩作用。具体的,输入轴10的输入扭矩与带轮47受到的扭矩相等或成正比,也即本实施例的输入轴10的输入扭矩与绳带47受到的拉力F拉成正比。即将本实施例的平衡装置用作缓降器时,不论绳带47受到的拉力F拉的大小如何,输入轴10的转速均可保持相对稳定甚至恒定。
进一步,本实施例的平衡装置还包括用于调节变速装置30的传动比的变速调节机构。本实施例的变速调节机构包括用于驱动对应的主动动轮或从动动轮沿其轴向方向移动的拨杆53和用于驱动拨杆53沿着对应的主动动轮或从动动轮的轴向方向移动的变速驱动机构。拨杆53与对应的主动动轮或从动动轮之间旋转配合并与对应的主动动轮或从动动轮同步轴向移动。本实施例的变速驱动机构包括用于导向绳带48的滑轮组,滑轮组包括动滑轮51,且动滑轮51在绳带48张力的作用下可沿垂直于其轴线的方向移动;动滑轮51与拨杆53之间设有用于驱动拨杆53沿对应的主动动轮或从动动轮的轴向方向移动的的调节驱动机构。
具体的,本实施例的调节驱动机构包括用于对拨杆53施加平行于对应的主动动轮或从动动轮沿轴向方向的轴向力的施力机构和用于平衡轴向力的弹力平衡机构,弹力平衡机构用于施加与轴向力方向相反的弹力;且:当拨杆53与主动动轮对应设置时,若拨杆53沿着轴向力方向移动,则主动轮31与传动带33之间的传动半径增大;若拨杆沿着弹力方向移动,则主动轮31与传动带33之间的传动半径减小;当拨杆53与从动动轮对应设置时,若拨杆沿着轴向力方向移动,则主动轮31与传动带33之间的传动半径减小;若拨杆沿着弹力方向移动,则主动轮31与传动带33之间的传动半径增大。
拨杆53驱动对应的主动动轮或从动动轮沿其轴向方向移动的方式有一下四种:
第一种方式:当主动动轮与传动带33之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成正比时,拨杆53驱动对应的主动动轮沿其轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比,如图3-7所示;
第二种方式:当主动动轮与传动带33之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比时,拨杆53驱动对应的主动动轮沿其轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成正比,如图8-9所示;
第三种方式:当从动动轮与传动带33之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成反比时,拨杆53驱动对应的从动动轮沿其轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比,如图10-13所示;
第四种方式:当从动动轮与传动带33之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比时,拨杆53驱动对应的从动动轮沿其轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成反比,如图14-15所示。
具体的,当拨杆53驱动对应的主动动轮或从动动轮沿轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比时,也即上述第一种方式和第三种方式时;此时的施力机构包括拉力带54和用于导向拉力带54的导向轮55,拉力带54的第一端与动滑轮51的移动方向平行、第二端与拨杆53的移动方向平行,通过拉力带54,可驱动对应的主动动轮或从动动轮与动滑轮51同步移动,且对应的主动动轮或从动动轮沿其轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离相等。此时的弹力平衡机构包括用于对拨杆53以及对应的主动动轮或从动动轮施加弹力的弹簧56。
具体的,当弹簧56与主动轮31对应设置时,弹簧56套装在主动轮31的转轴上并位于第一主动轮311和第二主动轮312之间,即弹簧56位于主动动轮在轴向力作用下沿轴向移动的方向所在侧,此时弹簧56对第一主动轮311和第二主动轮312施加与轴向力相反方向的弹力作用。或将弹簧56套装设置在与主动轮31的转轴平行的第一导向杆57上,拨杆53滑动配合套装在第一导向杆57上并位于弹簧56的外侧,如图3-5所示。该处所述的“外侧”特指第一主动轮311和第二主动轮312相背离的两个方向所在侧,而第一主动轮311和第二主动轮312相向的方向所在侧则为“内侧”。
具体的,当弹簧56与从动轮32对应设置时,弹簧56套装在从动轮32的转轴上并位于对应的从动动轮的外侧,即弹簧56位于从动动轮在轴向力作用下沿轴向移动的方向所在侧,用于对从动动轮施加弹力以平衡轴向力作用。同理,也可以将弹簧56套装设置在与从动轮32的转轴平行的第二导向杆58上,拨杆53滑动配合套装在第二导向杆58上并位于对应的弹簧56的内侧,如图10-11所示。该处所述的“外侧”特指第一从动轮321和第二从动轮322相背离的两个方向所在侧,而第一从动轮321和第二从动轮322相向的方向所在侧则为“内侧”。
另外,当拨杆53驱动对应的主动动轮或从动动轮沿轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比时,也即上述第一种方式和第三种方式时。施力机构还可以为:施力机构包括与对应的主动动轮或从动动轮的轴线垂直的第三施力杆68,第三施力杆68靠近对应的主动动轮或从动动轮的一端设有第三施力面69,第三施力面与对应的拨杆53接触配合,同时过第三施力杆68轴线以及对应的主动动轮或从动动轮的轴线的平面在第三施力面69上截得的直线的解析几何方程可表示为:y=a1x+b1,其中,a1、b1均为方程系数,a1≠0;即此时的第三施力面69为相对于对应的主动动轮或从动动轮的轴线倾斜的斜面。第三施力杆68与动滑轮51同步移动,或第三施力杆68沿其轴线方向上的移动距离与动滑轮51沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比,如图6-7以及图12-13所示。
当拨杆53驱动对应的主动动轮沿轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成正比时,也即第二种方式时:此时的施力机构包括与对应的主动动轮的轴线垂直的第一施力杆60,第一施力杆60靠近对应的主动动轮的一端设有第一施力面61,此时,过主动动轮的轴线的截面在驱动主动动轮沿其轴向方向移动的第一施力面61上截得的曲线的解析几何方程式可表示为:y=|a2xn+b2|,其中,a2、b2均为方程系数,a2≠0,x≥0或x≤0;该解析几何方程式的y轴与主动动轮的轴线垂直。由于本实施例的平衡扭矩装置40采用离心摩擦装置,则n=2,即本实施例驱动主动动轮沿其轴向方向移动的第一施力面61为沿与主动动轮的轴线垂直的方向移动的抛物面,如图8-9所示。本实施例的拨杆53上设有与第一施力面61配合的滚轮66。动滑轮51的轴线与主动轮31的轴线平行,第一施力杆60与动滑轮51同步移动,或第一施力杆60沿其轴线方向上的移动距离与动滑轮51沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比。本实施例第一施力杆60与动滑轮51同步移动,第一施力杆60受到动滑轮51施加的第一推力作用,该第一推力通过第一施力面61与拨杆53之间的接触配合,施加给拨杆53的力具有沿对应的主动动轮轴向的轴向分力(也即上述的轴向力)。此时的弹力平衡机构包括套装在第一施力杆60上的弹簧64,弹簧64用于平衡第一施力杆60受到的第一推力,可间接平衡拨杆53受到的轴向分力作用,弹簧也可以设置在主动动轮的内侧,起到平衡轴向力的作用,不再累述。
当拨杆53驱动对应的从动动轮沿轴向方向移动的距离与动滑轮51沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成反比时,也即第四种方式时,此时的施力机构包括与对应的从动动轮的轴线垂直的第二施力杆62,第二施力杆62靠近对应的从动动轮的一端设有第二施力面63,第二施力面63与对应的拨杆53接触配合,同时过第二施力杆62轴线以及对应的从动动轮的轴线的平面在第二施力面63上截得的曲线的解析几何方程可表示为:其中,a3、b3均为方程系数,a3≠0,x≥0或x≤0,如图14-15所示。本实施例的拨杆53上设有与第二施力面63配合的滚轮66。动滑轮51的轴线与从动轮31的轴线平行,第二施力杆62与动滑轮51同步移动,或第二施力杆62沿其轴线方向上的移动距离与动滑轮51沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比。本实施例第二施力杆62与动滑轮51同步移动,第二施力杆62受到动滑轮51施加的第二推力作用,该第二推力通过第二施力面63与拨杆53之间的接触配合,施加给拨杆53的力具有沿对应的从动动轮的轴向的轴向分力(也即上述的轴向力)。此时的弹力平衡机构包括套装在从动轮32转轴上的弹簧65,弹簧65施加的弹力可直接平衡拨杆53受到的轴向分力作用。
具体的,本实施例的平衡装置中,对输入轴10转速扰动最大的内部阻力为传动带33对对应的主动动轮或从动动轮施加的轴向力作用。本实施例以从动轮32为固定直径的传动轮,主动轮31中的第一主动轮311和第二主动轮312均为可沿着轴向方向移动的主动动轮的结构为例,对本实施例的阻力补偿方式进行说明。
理想情况下,若平衡装置内部不存在对变速装置30的传动比造成扰动的阻力,则当输入轴10的输入扭矩为零时,第一主动轮311和第二主动轮312分别与传动带33配合的配合面的顶点之间的间距等于传动带33的宽度,主动轮31与传动带33之间的传动半径等于0。主动轮31与传动带33之间的传动半径等于0的理论位置,即为主动动轮的轴向位移计算的起始位置。当输入轴10的输入扭矩大于零时,第一主动轮311和第二主动轮312相向运动,传动带33与主动轮31之间的传动半径大于零,且满足传动带33与主动轮31之间的传动半径与输入轴10的输入扭矩的幂次方成正比。
实际情况中,由于传动带33与主动轮31和从动轮32之间存在摩擦力等力的作用,则需要保证传动带33具有一定的张力,该张力对第一主动轮311和第二主动轮312施加的力存在轴向分力,该轴向分力会驱动第一主动轮311和第二主动轮312朝向相背的方向运动,最终导致第一主动轮311和第二主动轮312沿轴向移动的位移与输入轴10的输入扭矩的幂次方之间不再是严格的正比关系。本实施采用拉紧力机构35对传动带33施加张力作用,要实现传动带33张力稳定,则要求拉紧力机构35输出的张力恒定,即拉紧力机构35可采用恒力弹簧等方式实现。具体的,恒力弹簧可采用《恒力弹簧支吊架的形式及其受力分析》(仝国岭,张传鑫,魏培,北京石油化工工程有限公司,化工设备与管道,第53卷第3期,P76-80)中记载的恒力弹簧,也可以采用《主辅式恒力弹簧支吊架凸轮曲线的设计与优化》(刘卡壬,何孟夫,韩浪,汤凤,严亮,中广核工程设计有限公司,核动力工程,第38卷第6期,P87-91)中记载的恒力弹簧。
如图16所示,为了补偿传动带33对第一主动轮311和第二主动轮312施加的轴向分力作用,则当输入轴10的输入扭矩为零时,则使第一主动轮311和第二主动轮312的抛物面的顶点之间的间距l0小于传动带33的宽度,并使:
k0x0=F轴
l0+2x0=l带
其中,l带为传动带的宽度;F轴为传动带33分别对第一主动轮311和第二主动轮312施加的轴向分力,k0为弹性系数。
如此,在初始条件下,即可补偿传动带33对第一主动轮311和第二主动轮312施加的轴向分力作用,使变速装置30的传动比与输入轴10的输入扭矩的幂次方之间成正比。
当然,当从动轮与传动带33之间的传动半径可调节时,也可采用上述方法进行补偿,不再累述。同理,从动轮32与传动带33之间的传动半径等于0的理论位置,即为从动动轮的的轴向位移计算的起始位置。
另外,在实际运用中,主动轮31的最小传动半径不可能等于零,则在具体应用中,设主动轮31的最小传动半径为r0,利用主动动轮与传动带33配合的配合面的解析几何方程计算得到在主动轮31处于最小传动半径r0的状态下,第一主动轮311和第二主动轮312在轴向方向上对应的移动距离,从而可得到此时对应的输入轴10的输入扭矩大小M10,当输入轴10的输入扭矩M1小于等于M10时,实际上的变速装置30的传动比为定值,当输入轴10的输入扭矩M1大于M10时,变速装置30的传动比与输入轴10的输入扭矩的幂次方之间成正比。
本实施例的平衡装置,通过将平衡扭矩装置对平衡轴施加的平衡扭矩设定为与其角速度的平方成正比,将变速装置的传动比设定为与输入扭矩的二分之一幂次方成正比,如此即可使输入轴在不同的输入扭矩作用下,均保持在设定范围内的角速度范围内旋转,甚至保持在恒定的角速度旋转,达到速度平衡的技术目的。
实施例2
如图17所示,为本发明平衡装置实施例2的原理性结构示意图。
本实施例的平衡装置,包括输入轴10和平衡轴20,输入轴10与平衡轴20之间设有变速装置30。平衡轴20上设有平衡扭矩装置40,
平衡扭矩装置40对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足:
其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;k为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;
变速装置30控制平衡轴20与输入轴10之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩之间满足:
其中,M1为输入轴的输入扭矩;C1为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度;
则可得到输入轴的角速度为:
即输入轴10的角速度与输入轴10的输入扭矩无关,平衡力矩系数根据平衡扭矩装置40的结构参数计算,一般为定值。因此,在理论情况下,不论输入轴10的输入扭矩的大小如何,输入轴10的旋转角速度始终保持恒定,即输入轴10可保持恒速旋转;考虑到平衡装置内部结构之间存在的阻力,本实施例的平衡装置可实现在不同输入扭矩作用下,输入轴10的转速均可保持在较小范围内变化,同时若补偿平衡装置内部阻力,也可实现输入轴10保持恒速旋转的目的。
进一步,平衡扭矩装置40可以采用多种结构实现,具体的,平衡扭矩装置40可以采用离心摩擦装置、涡流制动装置或空气阻力器。本实施例的平衡扭矩装置40采用空气阻力器。空气阻力器为现有技术,如公开号为CN101176811B的中国专利公开的一种救生缓降装置中采用的空气阻尼器。根据空气阻力公式:其中,C为空气阻力系数;ρ为空气密度;S为物体迎风面积;V为物体与空气的相对运动速度。在空气阻力器中,平衡轴20的角速度与V成正比,也即空气阻力器对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度的平方成正比,此时n=2。
本实施例的其他具体实施方式与实施例1相同,不再一一累述。
实施例3
如图18所示,为本发明平衡装置实施例3的原理性结构示意图。
本实施例的平衡装置,包括输入轴10和平衡轴20,输入轴10与平衡轴20之间设有变速装置30。平衡轴20上设有平衡扭矩装置40,
平衡扭矩装置40对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足:
其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;k为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;
变速装置30控制平衡轴20与输入轴10之间的传动比与输入轴10受到的输入扭矩之间满足:
其中,M1为输入轴的输入扭矩;C1为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度;
则可得到输入轴的角速度为:
即输入轴10的角速度与输入轴10的输入扭矩无关,平衡力矩系数根据平衡扭矩装置40的结构参数计算,一般为定值。因此,在理论情况下,不论输入轴10的输入扭矩的大小如何,输入轴10的旋转角速度始终保持恒定,即输入轴10可保持恒速旋转;考虑到平衡装置内部结构之间存在的阻力,本实施例的平衡装置可实现在不同输入扭矩作用下,输入轴10的转速均可保持在较小范围内变化,同时若补偿平衡装置内部阻力,也可实现输入轴10保持恒速旋转的目的。
进一步,平衡扭矩装置40可以采用多种结构实现,具体的,平衡扭矩装置40可以采用离心摩擦装置、涡流制动装置或空气阻力器。本实施例的平衡扭矩装置40采用涡流制动器,涡流制动器的制动力矩根据不同的涡流制动器的结构而不同。
《基于虚拟线圈假设的涡流制动器制动力矩计算》(胡东海,何仁,江苏大学,汽车与能源工程学院,江苏大学学报,第35卷第3期,P257-261)中记载了一种涡流制动器,该涡流制动器的制动力矩与磁场变化角速度的二分之一次方成正比,也即将该涡流制动器用作本实施例的平衡扭矩装置40时,平衡扭矩装置40对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足:也即n=1/2,将n=1/2赋值到实施例1中的各个解析几何方程式中,即可得到主动动轮、从动动轮、第一施力面、第二施力面以及第三施力面的结构,不再累述。
《涡流制动器制动力矩计算公式的推导》(杨树忠,长春汽车研究所)中记载了一种涡流制动器,该涡流制动器的制动力与转盘的旋转速度成正比,也即该涡流制动器的制动力与转盘的转动角速度成正比,该涡流制动器的制动力矩与转盘的转动角速度成正比。将该涡流制动器用作本实施例的平衡扭矩装置40时,平衡扭矩装置40对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足:M2=kω2,也即n=1,将n=1赋值到实施例1中的各个解析几何方程式中,即可得到主动动轮、从动动轮、第一施力面、第二施力面以及第三施力面的结构,不再累述。
不同结构的涡流制动器,其对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间具有不同的计算关系,但只要对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足等式n≠0,这类涡流制动器均可用作本申请的平衡扭矩装置40,不再累述。
实施例4
如图19所示,为本发明平衡装置实施例4的原理性结构示意图。本实施例的平衡装置,包括输入轴10和平衡轴20,输入轴10与平衡轴20之间设有变速装置30。平衡轴20上设有平衡扭矩装置40。
平衡扭矩装置40对平衡轴20施加的平衡扭矩与平衡轴20的旋转角速度之间满足:
其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;k为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;
还包括与输入轴10传动连接的动力装置;变速装置30控制平衡轴20与输入轴10之间的传动比与动力装置输出到输入轴10上的输出功率之间满足:
其中,P为动力装置输出到输入轴上的输出功率;C2为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度。
且对于输入轴而言,动力装置输出到输入轴上的输出功率与输入轴受到的输入扭矩以及输入轴的转速相关,并可表示为:
P=M1ω1
其中,M1为输入轴的输入扭矩;则:
同理,输入轴的角速度与动力装置输出到输入轴上的输出功率无关,平衡力矩系数根据平衡扭矩装置的结构参数计算,一般为定值,因此,本发明的平衡装置可实现在不同输入功率作用下,输入轴的转速均可保持在较小范围内变化甚至保持恒定的技术目的。
进一步,平衡扭矩装置40可以采用多种结构实现,具体的,平衡扭矩装置40可以采用离心摩擦装置、涡流制动装置或空气阻力器,分别如上述实施例1、实施例2和实施例3所述,不再累述。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种平衡装置,包括输入轴(10)和平衡轴(20),所述输入轴(10)与平衡轴(20)之间设有变速装置(30),所述平衡轴(20)上设有平衡扭矩装置(40),其特征在于:
所述平衡扭矩装置(40)对所述平衡轴(20)施加的平衡扭矩与所述平衡轴(20)的旋转角速度之间满足:
其中,M2为平衡扭矩;ω2为平衡轴的角速度;k为平衡力矩系数;n为大于0的自然数;
所述变速装置(30)控制所述平衡轴(20)与所述输入轴(10)之间的传动比与所述输入轴(10)受到的输入扭矩之间满足:
其中,M1为输入轴的输入扭矩;C1为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度;
或,还包括与所述输入轴(10)传动连接的动力装置;
所述变速装置(30)控制所述平衡轴(20)与所述输入轴(10)之间的传动比与所述动力装置输出到所述输入轴(10)上的输出功率之间满足:
其中,P为动力装置输出到输入轴上的输出功率;C2为常数;a为变速装置的传动比,且aω1=ω2;ω1为输入轴的角速度。
2.根据权利要求1所述的平衡装置,其特征在于:
所述平衡扭矩装置(40)采用离心摩擦装置、涡流制动装置或空气阻力器。
3.根据权利要求1或2所述的平衡装置,其特征在于:
所述变速装置(30)包括与所述输入轴(10)传动连接的主动轮(31)和与所述平衡轴(20)传动连接的从动轮(32),所述主动轮(31)与从动轮(32)之间设有传动带(33);所述主动轮(31)和/或从动轮(32)与所述传动带(33)之间的传动半径可调节;且:
当所述主动轮(31)与所述传动带(33)之间的传动半径可调节时,
所述主动轮(31)包括同轴设置的第一主动轮(311)和第二主动轮(312),所述第一主动轮(311)和/或第二主动轮(312)为可沿着轴向方向移动的主动动轮;
当所述从动轮(32)与所述传动带(33)之间的传动半径可调节时,
所述从动轮(32)包括同轴设置的第一从动轮(321)和第二从动轮(322),所述第一从动轮(321)和/或第二从动轮(322)为可沿着轴向方向移动的从动动轮。
4.根据权利要求3所述的平衡装置,其特征在于:
当所述主动轮(31)与所述传动带(33)之间的传动半径可调节时,
所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴(10)受到的输入扭矩或输入功率之间成正比;且所述主动动轮和所述传动带(33)之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成正比;或,
所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴(10)受到的输入扭矩或输入功率的幂次方之间成正比;且所述主动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比;
当所述从动轮(32)与所述传动带(33)之间的传动半径可调节时,
所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴(10)受到的输入扭矩或输入功率之间成正比;且所述从动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成反比;或,
所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述输入轴(10)受到的输入扭矩或输入功率的幂次方之间成反比;且所述从动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比。
5.根据权利要求3所述的平衡装置,其特征在于:所述变速装置(30)还包括用于使所述传动带(33)始终保持拉紧状态的拉紧轮(34),所述拉紧轮(34)的转轴上设有用于提供拉紧预紧力的拉紧力机构(35)。
6.根据权利要求4所述的平衡装置,其特征在于:
还包括用于对所述输入轴(10)施加所述输入扭矩的扭矩输入装置;
所述扭矩输入装置包括用于缠绕绳带(48)并在绳带(48)的张力作用下转动或与外置的绳带(48)滚动配合的带轮(47),所述带轮(47)套装在所述输入轴(10)上并与所述输入轴(10)同步转动;或所述带轮(47)的转轴(42)与所述输入轴(10)之间传动连接。
7.根据权利要求6所述的平衡装置,其特征在于:
还包括用于调节所述变速装置(30)的传动比的变速调节机构;
所述变速调节机构包括用于驱动对应的所述主动动轮或从动动轮沿其轴向方向移动的拨杆(53),所述拨杆(53)与对应的所述主动动轮或从动动轮之间旋转配合并与对应的所述主动动轮或从动动轮同步轴向移动;
所述变速调节机构还包括用于驱动所述拨杆(53)沿着对应的所述主动动轮或从动动轮轴向方向移动的变速驱动机构。
8.根据权利要求7所述的平衡装置,其特征在于:
所述变速驱动机构包括用于导向所述绳带(48)的滑轮组,所述滑轮组包括动滑轮(51),所述动滑轮(51)在所述绳带(48)张力的作用下可沿垂直于其轴线的方向移动,且所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线的方向移动的距离与所述绳带(48)的张力之间成正比;所述动滑轮(51)与所述拨杆(53)之间设有用于驱动所述拨杆(53)沿对应的所述主动动轮或从动动轮的轴向方向移动的调节驱动机构;且:
当所述主动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成正比时,所述拨杆(53)驱动对应的所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比;
当所述主动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该主动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比时,所述拨杆(53)驱动对应的所述主动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成正比;
当所述从动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离的幂次方之间成反比时,所述拨杆(53)驱动对应的所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比;
当所述从动动轮与所述传动带(33)之间的传动半径与该从动动轮沿其轴向方向移动的距离之间成正比时,所述拨杆(53)驱动对应的所述从动动轮沿其轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成反比。
9.根据权利要求8所述的平衡装置,其特征在于:
所述调节驱动机构包括用于对所述拨杆(53)施加平行于对应的所述主动动轮或从动动轮沿轴向方向的轴向力的施力机构和用于平衡所述轴向力的弹力平衡机构,所述弹力平衡机构用于施加与所述轴向力方向相反的弹力。
10.根据权利要求9所述的平衡装置,其特征在于:
当所述拨杆(53)驱动对应的所述主动动轮或从动动轮沿轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离之间成正比时;所述施力机构包括拉力带(54)和用于导向所述拉力带(54)的导向轮(55),所述拉力带(54)的第一端与所述动滑轮(51)的移动方向平行、第二端与所述拨杆(53)的移动方向平行;或,所述施力机构包括与对应的所述主动动轮或从动动轮的轴线垂直的第三施力杆,所述第三施力杆靠近对应的所述主动动轮或从动动轮的一端设有第三施力面,所述第三施力面与对应的所述拨杆接触配合,同时过所述第三施力杆轴线以及对应的所述主动动轮或从动动轮的轴线的平面在所述第三施力面上截得的直线的解析几何方程可表示为:y=a1x+b1,其中,a1、b1均为方程系数,a1≠0;所述第一施力杆(60)与所述动滑轮(51)同步移动,或所述第一施力杆(60)沿其轴线方向上的移动距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比;
当所述拨杆(53)驱动对应的所述主动动轮沿轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成正比时,所述施力机构包括与对应的所述主动动轮的轴线垂直的第一施力杆(60),所述第一施力杆(60)靠近对应的所述主动动轮的一端设有第一施力面(61),所述第一施力面(61)与对应的所述拨杆(53)接触配合,且同时过所述第一施力杆(60)轴线以及对应的所述主动动轮的轴线的平面在所述第一施力面(61)上截得的曲线的解析几何方程可表示为:y=a2xn+b2,其中,a2、b2均为方程系数,a2≠0;所述第一施力杆(60)与所述动滑轮(51)同步移动,或所述第一施力杆(60)沿其轴线方向上的移动距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比;
当所述拨杆(53)驱动对应的所述从动动轮沿轴向方向移动的距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴线方向移动的距离的幂次方之间成反比时,所述施力机构包括与对应的所述从动动轮的轴线垂直的第二施力杆(62),所述第二施力杆(62)靠近对应的所述从动动轮的一端设有第二施力面(63),所述第二施力面(63)与对应的所述拨杆(53)接触配合,且同时过所述第二施力杆(62)轴线以及对应的所述从动动轮的轴线的平面在所述第二施力面(63)上截得的曲线的解析几何方程可表示为:
其中,a3、b3均为方程系数,a3≠0;
所述第二施力杆(62)与所述动滑轮(51)同步移动,或所述第二施力杆(62)沿其轴线方向上的移动距离与所述动滑轮(51)沿垂直于其轴向方向移动的距离之间成正比。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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