CN110529567B - 用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构。通过正交轨道行星齿轮组沿平行圆弧线导轨运动，使凹曲面螺旋齿轮和凸曲面螺旋齿轮在不同的半径处相啮合，实现变速比的连续变化，达到改变附加质量块的加速度的目的。在凹曲面螺旋齿轮和凸曲面螺旋齿轮的表面预先设置螺旋曲线限位导槽，通过设计不同的螺旋曲线调节变速比变化的快慢，控制附加质量块的加速度变化的快慢。该机构通过调节变速箱的变速比，控制附加质量块的加速度，当主结构的地震位移越接近峰值时，该机构提供的惯性阻尼力也越大，而当主结构在平衡位置附近小幅度振动时，其变速比又可变小，附加质量块的行程也会变小，有利于延长弹簧和粘滞阻尼器等构件的使用寿命。

Description

用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构
技术领域
本发明属于桥梁结构被动控制技术领域，涉及到桥梁的减震技术，特别涉及到一种用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构。
背景技术
大跨径悬索桥在地震时，主梁的纵向位移较大，主梁的惯性力会传递给索塔，造成索塔承受较大的弯矩。目前通常的减震方法有：(1)在主梁与锚碇之间或主梁与索塔之间采用粘滞阻尼器；(2)采用抗震支座；(3)采用变速质量阻尼系统。常规的调谐质量阻尼器(TMD)虽然具有一定的减震功能，但其适用的频率范围较窄，并且需要较大的附加质量块，应用在桥梁的地震减震效果不明显。变速质量阻尼系统具有较好的减震效果，但由于变速传动机构的传动比是一定的，为了减小最大地震力作用下的结构响应，需要设计较大的传动比，但是在风载或温度变化等常遇荷载作用下，附加质量块的行程过大，将减少弹簧和粘滞阻尼构件的使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构，包括输入齿轮、凹曲面螺旋齿轮、平行圆弧线导轨、正交轨道行星齿轮组、凸曲面螺旋齿轮、输出齿轮和齿轮箱。可以实现传动比的连续变化，则附加质量块的加速度也随之可调，在结构初始平衡位置附近小幅度振动时，可采用较小的传动比；在桥梁结构地震位移接近峰值时，自动更换到较大的传动比，以提供更大的惯性阻尼力。
本发明的技术方案：
一种用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构，包括输入齿轮1、凹曲面螺旋齿轮2、正交轨道行星齿轮组3、平行圆弧线导轨11、凸曲面螺旋齿轮7、输出齿轮8和齿轮箱9，其中正交轨道行星齿轮组3包括行星齿轮组输入齿轮4、轨道间传动齿轮5、行星齿轮组输出齿轮6、行星齿轮组托架10、输入小齿轮16和输出小齿轮17；主结构(桥梁的主梁)13通过齿条与输入齿轮1相连，输入齿轮1与凹曲面螺旋齿轮2为固定在一起的同轴同步转动的齿轮，凹曲面螺旋齿轮2与正交轨道行星齿轮组3的行星齿轮组输入齿轮4相啮合，输入小齿轮16与行星齿轮组输入齿轮4是固定在一起的同轴同步齿轮，输入小齿轮16与轨道间传动齿轮5相啮合，轨道间传动齿轮5再与输出小齿轮17相啮合，输出小齿轮17与行星齿轮组输出齿轮6为固定在一起的同轴同步齿轮，行星齿轮组输出齿轮6与凸曲面螺旋齿轮7相啮合，凸曲面螺旋齿轮7与输出齿轮8为固定在一起的同轴同步齿轮，输出齿轮8通过输出齿条与附加质量块15相连接；
在变速质量阻尼减震系统中，主结构(桥梁的主梁)13的振动传递给变速箱14，经变速箱14放大后传递给由附加质量块15与弹簧、粘滞阻尼器组成的第二体系进行耗能减震；当变速箱14替换为变加速度曲面螺旋齿轮传动机构后，主结构(桥梁的主梁)13的振动通过输入齿轮1带动凹曲面螺旋齿轮2旋转，凹曲面螺旋齿轮2带动行星齿轮组输入齿轮4，行星齿轮组输入齿轮4与输入小齿轮16是固定在一起的同轴同步齿轮，因此凹曲面螺旋齿轮2也带动输入小齿轮16转动，并传递给轨道间传动齿轮5，然后把运动传递给输出小齿轮17，输出小齿轮17与行星齿轮组输出齿轮6是固定在一起的同轴同步齿轮，因此运动传递给行星齿轮组输出齿轮6，接下来传递给凸曲面螺旋齿轮7，再经过输出齿轮8用齿条传递给附加质量块15。
正交轨道行星齿轮组3由行星齿轮组输入齿轮4、输入小齿轮16、轨道间传动齿轮5、输出小齿轮17、行星齿轮组输出齿轮6、行星齿轮组托架10等部分组成的一个运动单元，可以沿平行圆弧线导轨11自由运动。正交轨道行星齿轮组3的初始位置刚好设置在平行圆弧线导轨11的中间点，此处凹曲面螺旋齿轮2的半径最小，而凸曲面螺旋齿轮7的半径最大，因而传动比也最小。当主结构13发生振动时，在驱动凹曲面螺旋齿轮2旋转的同时，正交轨道行星齿轮组3沿平行圆弧线导轨11向偏离中心点的方向移动，与凹曲面螺旋齿轮2相啮合的齿轮半径增大，而与凸曲面螺旋齿轮7相啮合的齿轮半径减小，传动比相应变大，对于附加质量块15来说，越远离平衡位置，其加速度越大，当回复到接近平衡位置处，其加速度又会变小。正交轨道行星齿轮组3分别与凹曲面螺旋齿轮2和凸曲面螺旋齿轮7的齿轮啮合点的轨迹是螺旋曲线12，沿着这条曲线设置限位导槽，可以保证螺旋曲线12刚好是齿轮啮合点的轨迹线，不同的螺旋曲线决定了加速度变化的快慢。
本发明的效果和益处：
1)通过正交轨道行星齿轮组沿平行圆弧线导轨运动，可以使凹曲面螺旋齿轮和凸曲面螺旋齿轮在不同的半径处相啮合，实现变速比的连续变化，达到改变附加质量块的加速度的目的。
2)在凹曲面螺旋齿轮和凸曲面螺旋齿轮的表面可以预先设置螺旋曲线限位导槽，通过设计不同的螺旋曲线调节变速比变化的快慢，控制附加质量块的加速度变化的快慢。
3)该机构通过调节变速箱的变速比，控制附加质量块的加速度，当桥梁结构的地震位移越接近峰值的时候，该机构能够提供的惯性阻尼力也越大，而当桥梁结构在平衡位置附近小幅度振动时，其变速比又可以变小，附加质量块的行程也会变小，有利于延长弹簧和粘滞阻尼器等构件的使用寿命。
附图说明
图1是一种用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构示意图。
图2是正交轨道行星齿轮组示意图。
图3是一种桥梁减震的变速质量阻尼器系统示意图。
图中：1输入齿轮；2凹曲面螺旋齿轮；3正交轨道行星齿轮组；4行星齿轮组输入齿轮；5轨道间传动齿轮；6行星齿轮组输出齿轮；7凸曲面螺旋齿轮；8输出齿轮；9齿轮箱；10行星齿轮组托架；11平行圆弧线导轨；12螺旋曲线；13主结构(桥梁的主梁)；14变速箱；15附加质量块；输入小齿轮16；输出小齿轮17。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
自锚式悬索桥跨径布置为100+360+100米，宽度为24米，主梁为钢箱梁结构。主梁13的端部与桥台处的变速箱14的输入端相连接，变速箱14的输出端与附加质量块15相连接，附加质量块15通过弹簧和粘滞阻尼器与桥台基础相连接；桥梁在地震作用下振动时，主梁13的振动传递到变速箱14；变速箱14是变加速度曲面螺旋齿轮传动机构，初始变速比为1:1，随着振动加剧，正交轨道行星齿轮组3沿平行圆弧线导轨11向偏离中心点的方向移动，与凹曲面螺旋齿轮2相啮合的齿轮半径增大，而与凸曲面螺旋齿轮7相啮合的齿轮半径减小，传动比相应变大，传递到附加质量块15时，其加速度也会变大，系统获得的惯性阻尼力也将变大；当桥梁回复到接近平衡位置处，正交轨道行星齿轮组3也回复到平行圆弧线导轨11的中心点，变速比也变小了，其加速度也将变小。
凹曲面螺旋齿轮2和凸曲面螺旋齿轮7均采用旋转圆曲面的形状，其曲面的参数方程分别为：
其曲面上旋转螺旋曲线的参数方程分别为：
其中R1、R2分别为凹曲面螺旋齿轮2和凸曲面螺旋齿轮7的旋转曲面母线的半径，r1、r2分别为凹曲面螺旋齿轮2和凸曲面螺旋齿轮7在初始位置处的齿轮半径，是旋转曲面母线的圆弧中心角，θ为凹曲面螺旋齿轮2和凸曲面螺旋齿轮7的旋转曲面转角极坐标，k是决定加速度变化快慢的参数。

Claims (1)

1.一种用于变速质量阻尼系统的变加速度曲面螺旋齿轮传动机构，其特征在于，该变加速度曲面螺旋齿轮传动机构包括输入齿轮(1)、凹曲面螺旋齿轮(2)、正交轨道行星齿轮组(3)、平行圆弧线导轨(11)、凸曲面螺旋齿轮(7)、输出齿轮(8)和齿轮箱(9)，其中正交轨道行星齿轮组(3)包括行星齿轮组输入齿轮(4)、轨道间传动齿轮(5)、行星齿轮组输出齿轮(6)、行星齿轮组托架(10)、输入小齿轮(16)和输出小齿轮(17)；主结构(13)通过齿条与输入齿轮(1)相连，输入齿轮(1)与凹曲面螺旋齿轮(2)为固定在一起的同轴同步转动的齿轮，凹曲面螺旋齿轮(2)与正交轨道行星齿轮组(3)的行星齿轮组输入齿轮(4)相啮合，输入小齿轮(16)与行星齿轮组输入齿轮(4)是固定在一起的同轴同步齿轮，输入小齿轮(16)与轨道间传动齿轮(5)相啮合，轨道间传动齿轮(5)再与输出小齿轮(17)相啮合，输出小齿轮(17)与行星齿轮组输出齿轮(6)为固定在一起的同轴同步齿轮，行星齿轮组输出齿轮(6)与凸曲面螺旋齿轮(7)相啮合，凸曲面螺旋齿轮(7)与输出齿轮(8)为固定在一起的同轴同步齿轮，输出齿轮(8)通过输出齿条与附加质量块(15)相连接；
在变速质量阻尼减震系统中，主结构(13)的振动传递给变速箱(14)，经变速箱(14)放大后传递给由附加质量块(15)与弹簧、粘滞阻尼器组成的第二体系进行耗能减震；当变速箱(14)替换为变加速度曲面螺旋齿轮传动机构后，主结构(13)的振动通过输入齿轮(1)带动凹曲面螺旋齿轮(2)旋转，凹曲面螺旋齿轮(2)带动行星齿轮组输入齿轮(4)，行星齿轮组输入齿轮(4)与输入小齿轮(16)是固定在一起的同轴同步齿轮，因此凹曲面螺旋齿轮(2)也带动输入小齿轮(16)转动，并传递给轨道间传动齿轮(5)，然后把运动传递给输出小齿轮(17)，输出小齿轮(17)与行星齿轮组输出齿轮(6)是固定在一起的同轴同步齿轮，因此运动传递给行星齿轮组输出齿轮(6)，接下来传递给凸曲面螺旋齿轮(7)，再经过输出齿轮(8)用齿条传递给附加质量块(15)；
正交轨道行星齿轮组(3)可沿平行圆弧线导轨(11)自由运动；正交轨道行星齿轮组(3)的初始位置刚好设置在平行圆弧线导轨(11)的中间点，此处凹曲面螺旋齿轮(2)的半径最小，而凸曲面螺旋齿轮(7)的半径最大，因而传动比也最小；当主结构(13)发生振动时，在驱动凹曲面螺旋齿轮(2)旋转的同时，正交轨道行星齿轮组(3)沿平行圆弧线导轨(11)向偏离中心点的方向移动，与凹曲面螺旋齿轮(2)相啮合的齿轮半径增大，而与凸曲面螺旋齿轮(7)相啮合的齿轮半径减小，传动比相应变大，对于附加质量块(15)来说，越远离平衡位置，其加速度越大，当回复到接近平衡位置处，其加速度又会变小；正交轨道行星齿轮组(3)分别与凹曲面螺旋齿轮(2)和凸曲面螺旋齿轮(7)的齿轮啮合点的轨迹是螺旋曲线(12)，沿着这条曲线设置限位导槽，保证螺旋曲线(12)刚好是齿轮啮合点的轨迹线，不同的螺旋曲线决定了加速度变化的快慢。
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