CN111946764B - 一种曲柄连杆式机电惯容器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲柄连杆式机电惯容器装置，由曲柄连杆式惯容器与圆筒型直线电机耦合而成。其中，曲柄连杆式惯容器利用曲柄连杆机构将驱动直杆的往复直线运动转化为飞轮的往复旋转运动，从而产生惯性效应，形成惯容器，丰富了惯容器的结构种类。此外，由于曲柄连杆机构的结构特点，使得曲柄连杆式惯容器能够在大载荷冲击下稳定运转，拓宽了惯容器的应用范围。对曲柄连杆式惯容器的主要部件进行材料选定，保证了曲柄连杆式惯容器工作性能的稳定。同时，通过圆筒型直线电机与外端电路相连接，实现了曲柄连杆式机电惯容器馈能、被动控制和主动控制三种工作模式。

Description

一种曲柄连杆式机电惯容器装置

技术领域

本发明涉及一种工程隔振技术领域，尤其涉及一种新型曲柄连杆式机电惯容器装置。

背景技术

2002年剑桥大学Smith教授提出了惯容器的概念，突破了质量元件单端点“接地”的局限，展现了优越的隔振性能，自此以后，惯容器受到了工程隔振领域的广泛关注。近十几年来，惯容器得到了极大的发展，涌现了一批有效的惯容器模型。

虽然惯容器经历了十余年的发展，但其实现方式仍局限在现有的几种结构下，结构种类较少。已有的部分结构也仅仅停留在理论阶段，只有少数几种成熟的结构易于实际制造，验证了结构的有效性，但在相关专利中，很少有对惯容器实物材料进行确定，实际惯容器的工作性能无法保证。

此外，现有的惯容器无法保证在大载荷冲击下稳定运转，像机械式惯容器，如齿轮齿条式惯容器和滚珠丝杠式惯容器，一旦承受大载荷冲击，齿轮轮齿或丝杠很容易出现断裂或者非线性因素影响增大的问题，从而影响惯容器的隔振性能；而液力式惯容器，如液压活塞式惯容器和流体惯容器，面临着在大载荷冲击下，密封性等的问题。

因此，在飞机起落架、大型钻井机、重型卡车及大型电动机等大载荷冲击振动工况下，惯容器的大载荷冲击工作能力仍有较大开发空间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种曲柄连杆式机电惯容器装置，该装置由曲柄连杆式惯容器和圆筒型直线电机耦合而成，其作用方式简单，性能稳定，丰富了惯容器的种类，拓宽了惯容器的应用范围。为实现惯容器在大载荷冲击下稳定运转，提供了思路。同时，对曲柄连杆式惯容器主要部件进行材料设计，进一步完善惯容器的具体构造，提升惯容器的性能。除此之外，本发明还可通过圆筒型直线电机实现馈能、被动控制和主动控制三种不同的工作模式。馈能模式下，可以将系统的振动能量回收；被动控制模式下，通过外端电网络，可以实现高阶复杂阻抗，进一步提升曲柄连杆式机电惯容器的性能；主动控制模式下，可将曲柄连杆式机电惯容器作为力发生器对振动系统进行主动控制。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术手段是：

一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，包含缸筒4、圆筒型直线电机和曲柄连杆式惯容器；

其中，所述缸筒4被中间隔板2分隔为直线电机工作腔1和惯容器工作腔3；

所述直线电机工作腔1中安装圆筒型直线电机，所述直线电机包括电机轴16；

所述惯容器工作腔3安装曲柄连杆式惯容器，由飞轮6和曲柄连杆机构组成，所述飞轮6和所述曲柄连杆机构连接；

所述曲柄连杆机构一端与电机轴16连接，另一端固定在缸筒4上。

进一步地，所述曲柄连杆机构包括：曲柄轴座5，曲柄销7，曲柄8，连杆9，连杆销10；

所述连杆9一端通过所述连杆销10与所述电机轴16相连，另一端由所述曲柄销7与所述曲柄8相连，所述曲柄8通过曲柄轴681与所述飞轮6固结；所述曲柄轴681可旋转地安装在所述曲柄轴座5中间的通孔中。

进一步地，所述曲柄轴座5包括上曲柄轴座5b与下曲柄轴座5c中，所述上曲柄轴座5b与所述下曲柄轴座5c通过螺栓5a进行紧固；所述下曲柄轴座5c焊接在所述缸筒4的底部。

进一步地，所述电机轴16从所述直线电机工作腔1的两端伸出，一端与隔振系统相连，另一端通过所述连杆销10与所述连杆9相连。

进一步地，所述的曲柄8、曲柄轴681、飞轮6和曲柄轴座5皆有对称的两个。

进一步地，曲柄连杆式机电惯容器可通过圆筒型直线电机与外端电路相连，实现以下三种工作模式：

(1)馈能模式：外端电路为能量回收电路，当所述的电机轴16上下往复直线运动时，固结在电机轴16上的动子磁轭15和磁极12与定子铁芯14中的绕组线圈13发生相对运动，生成感应电动势，直线电机外端口产生端电压，当端电压作用在能量回收电路上时，电路对系统的振动能量进行回收、储存，用作其他耗能系统的能量输入；

(2)被动控制模式：外端电路为电阻、电感和电容组成的无源网络，当端电压作用在无源网络上时，无源网络的电阻抗等效为机械网络的机械阻抗，进一步衰减了系统的振动；

(3)主动控制模式：外端电路为电源，向直线电机供电，此时曲柄连杆式机电惯容器为力发生器，主动控制系统振动。

进一步地，所述的连杆9选用调质钢制造；所述的连杆销10和曲柄销7为空心圆柱的结构，选用低碳钢或低碳合金钢制造，外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工；所述的曲柄8和曲柄轴681选用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。

采用本发明的有益实施效果是：

1、本发明所述的曲柄连杆式机电惯容器，由曲柄连杆式惯容器和圆筒型直线电机耦合而成，曲柄连杆式惯容器利用曲柄连杆带动飞轮转动从而实现惯容特性，与现有惯容器的机构不同，丰富了惯容器的种类。

2、本发明所述的曲柄连杆式机电惯容器中的曲柄连杆为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，能够工作在冲击载荷大的场景中；曲柄连杆式惯容器组成元件结构简单，几何形状多为平面或圆柱面，易于加工制造；在电机轴运动规律不变的情况下，通过改变连杆和曲柄的相对长度可以使飞轮得到不同的运动规律，实现不同的惯容特性。

3、本发明所述的曲柄连杆式机电惯容器，为进一步确保曲柄连杆式惯容器在大冲击载荷下保持工作性能的稳定，对曲柄连杆式惯容器进行具体的材料选用。

4、本发明所述的曲柄连杆式机电惯容器，通过直线电机与外端电网络相连接，还可以工作在以下三种工作模式中：(1)馈能模式；(2)被动控制模式；(3)主动控制模式。馈能模式下可以实现振动系统的振动能量回收；被动控制模式下可以通过外端无源网络实现高阶复杂阻抗，提升曲柄连杆式机电惯容器性能；主动控制模式下可将曲柄连杆式机电惯容器作为力发生器，根据控制策略，对振动系统振动进行抑制，实现振动系统的主动控制，进而提升系统稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种曲柄连杆式机电惯容器的三维结构示意图。

图2是一种曲柄连杆式机电惯容器三维剖视图1。

图3是一种曲柄连杆式机电惯容器三维剖视图2。

图4是曲柄与飞轮连接图。

图5是曲柄轴座示意图。

附图1-3标记说明如下：

1-直线电机工作腔，2-中间隔板，3-惯容器工作腔，4-缸筒，5-曲柄轴座，6-飞轮，7-曲柄销，8-曲柄，9-连杆，10-连杆销，11-电机筒，12-磁极，13-绕组线圈，14-定子铁芯，15-动子磁轭，16-电机轴。

附图4标记说明如下：

6-飞轮，8-曲柄，681-曲柄轴，682-曲柄销孔。

附图5标记说明如下：

5a-螺钉，5b-上曲柄轴座，5c-下曲柄轴座。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-3所示，本发明涉及一种曲柄连杆式机电惯容器装置，包括：直线电机工作腔1，中间隔板2，惯容器工作腔3，缸筒4，曲柄轴座5，飞轮6，曲柄销7，曲柄8，连杆9，连杆销10，电机筒11，磁极12，绕组线圈13，定子铁芯14，动子磁轭15，电机轴16。

其中，缸筒4被中间隔板2分成直线电机工作腔1和惯容器工作腔3。直线电机工作腔1中安装有圆筒型直线电机，由电机筒11，磁极12，绕组线圈13，定子铁芯14，动子磁轭15，电机轴16组成。惯容器工作腔3安装有曲柄连杆式惯容器，两个工作腔由电机轴16与连杆9通过连杆销10相连而结合在一起，电机轴16同时作为曲柄连杆式惯容器的驱动直杆。

其中，曲柄连杆式惯容器，包括曲柄轴座5，飞轮6，曲柄销7，曲柄8，连杆9，连杆销10。连杆9一端通过连杆销10与电机轴16相连，另一端由曲柄销7与曲柄8相连，曲柄8通过曲柄轴681与飞轮6固结，曲柄8与飞轮6的具体连接结构如图4所示。如图5所示，曲柄轴座5包括上曲柄轴座5b与下曲柄轴座5c中，上曲柄轴座5b与下曲柄轴座5c通过两个螺栓5a进行紧固，曲柄轴681通过轴承安装在曲柄轴座5中间的通孔，曲柄轴681能够在通孔中转动。下曲柄轴座5c焊接在缸筒4的底部。

其中，所述的连杆9必须要有较高的强度和抗疲劳性能，同时又要有足够的刚性和韧性，因此选用调质钢制造，如45钢、40Cr等。

其中，所述的连杆销10和曲柄销7采用空心圆柱的结构以减小质量，为了防止连杆销10和曲柄销7弯曲变形，导致电机轴16、连杆9和曲柄8损坏，连杆销10和曲柄销7的刚度尤为重要，因此选用低碳钢或低碳合金钢制造，如20、20Mn、15Cr等，外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工，这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。

其中，所述的曲柄8和曲柄轴681要求耐冲击、耐磨，因此选用45、40Cr、35Mn2等中碳钢或中碳合金钢模锻而成。此外，使用对称的两个曲柄8、曲柄轴681、飞轮6和曲柄轴座5，以防止曲柄轴681旋转过程中不平衡旋转。

其中，所述的电机轴16与隔振系统上端相连，缸筒4与隔振系统下端相连。

本发明的工作原理如下：

当电机轴16上下往复直线运动时，电机轴16(曲柄连杆式惯容器的驱动直杆)通过连杆销10带动连杆9做平面运动，连杆9通过曲柄销7推动左右两侧的曲柄8围绕曲柄轴681做旋转运动。两个飞轮6与曲柄轴681固结在一起，飞轮6在曲柄连杆的作用下做往复旋转运动，产生惯性效应，形成曲柄连杆式惯容器。

除去因部件变形以及摩擦力等不可避免的非线性因素，由于连杆9的引入，曲柄连杆式机电惯容器惯质系数的非线性还与飞轮的转动角度有关，曲柄连杆式惯容器是一个非线性惯容器。

同时所述的曲柄连杆式机电惯容器通过圆筒型直线电机可工作在以下三种工作模式：

(1)馈能模式

若直线电机与外端能量回收电路(本发明中未给出相关电路)相连，当电机轴16上下往复直线运动时，固结在电机轴16上的动子磁轭15和磁极12在直线电机工作腔1中与定子铁芯14内均布的绕组线圈13发生相对运动，绕组线圈13切割磁极12产生的永磁场的磁感应线，从而在绕组线圈13内产生感应电流，生成感应电动势，在直线电机外端接口生成端电压。当端电压作用在能量回收电路上，此时曲柄连杆式机电惯容器工作在馈能模式下，能量回收电路对振动系统的振动能量进行回收，用于其他耗能系统的能量输入。

(2)被动控制模式

若外端电路为电阻、电感和电容组成的无源网络(本发明未给出具体电路)，此时外端电网络的电阻抗可以等效为机械网络的机械阻抗，电容等效为惯容器，电阻等效为阻尼器，电感等效为弹簧，实现更加复杂的高阶阻抗。当电机轴16做往复直线运动时，固结在电机轴16上的动子磁轭15和磁极12与定子铁芯14内均布的绕组线圈13发生相对运动，绕组线圈13切割磁极12产生的永磁场的磁感应线，从而在绕组线圈13内产生感应电流，生成感应电动势，在直线电机外端接口生成端电压。当端电压作用在无源网络上时，由于无源网络的电阻抗等效为机械阻抗，因此系统的振动得到进一步衰减。被动控制模式下，无需额外向曲柄连杆式机电惯容器提供能量，相比于同阶的机械网络阻抗结构，外端无源网络结构简单、安装空间小。

(3)主动控制模式

当外部电源(图中未给出)对直线电机进行供电时，控制器(图中未给出)控制电流输入，电流在绕组线圈13内流通，绕组线圈13在定子铁芯14内产生电磁场，与动子磁轭15上的磁极12产生的永磁场相互作用，从而推动电机轴16做直线运动，电机轴16上端与振动系统相连，主动控制系统的振动。控制器根据设定好的控制策略对输入电流的大小进行控制，进一步控制电磁场的强度，从而控制电磁场与永磁场的相互作用力，来控制直线电机电机轴16的输出力。在主动控制模式下，曲柄连杆式机电惯容器作为力发生器，根据控制策略对振动系统进行主动控制，有效抑制振动系统的振动，提升隔振系统的性能，进而提升稳定性。

本发明的核心思想是：根据曲柄连杆机构的工作特点，将电机轴16(曲柄连杆式惯容器的驱动直杆)的往复直线运动转化为飞轮6的往复旋转运动，从而实现惯性效果，形成曲柄连杆式惯容器，该结构能承受大载荷冲击，而且装置结构简单，能够通过改变连杆9和曲柄8的相对长度或更换飞轮6来改变惯性特性。因此，曲柄连杆式的惯容器拥有更为广阔的应用范围，另外还对曲柄连杆式惯容器的主要部件材料进行选定，确保其工作性能的稳定，提高其承受大载荷冲击的能力。

本发明是曲柄连杆式惯容器与圆筒型直线电机相耦合而成的曲柄连杆式机电惯容器，通过与直线电机的耦合，进一步的提高了曲柄连杆式惯容器的工作性能，同时通过直线电机与外端电网络的结合，曲柄连杆式机电惯容器还可以有三种工作模式：(1)馈能模式；(2)被动控制模式；(3)主动控制模式。

以上结果表明，本发明装置对冲击载荷大的飞机起落架、大型钻井机、大型电动机等，有较好的的振动抑制效果，能够有效的提高系统的稳定性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，包含缸筒(4)、圆筒型直线电机和曲柄连杆式惯容器；

其中，所述缸筒(4)被中间隔板(2)分隔为直线电机工作腔(1)和惯容器工作腔(3)；

所述直线电机工作腔(1)中安装圆筒型直线电机，所述直线电机包括电机轴(16)；

所述惯容器工作腔(3)安装曲柄连杆式惯容器，由飞轮(6)和曲柄连杆机构组成，所述飞轮(6)和所述曲柄连杆机构连接；

所述曲柄连杆机构一端与电机轴(16)连接，另一端固定在缸筒(4)上；

所述曲柄连杆机构包括：曲柄轴座(5)，曲柄销(7)，曲柄(8)，连杆(9)，连杆销(10)；

所述连杆(9)一端通过所述连杆销(10)与所述电机轴(16)相连，另一端由所述曲柄销(7)与所述曲柄(8)相连，所述曲柄(8)通过曲柄轴(681)与所述飞轮(6)固结；所述曲柄轴(681)可旋转地安装在所述曲柄轴座(5)中间的通孔中。

2.根据权利要求1所述的一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，所述曲柄轴座(5)包括上曲柄轴座(5b)与下曲柄轴座(5c)中，所述上曲柄轴座(5b)与所述下曲柄轴座(5c)通过螺栓(5a)进行紧固；所述下曲柄轴座(5c)焊接在所述缸筒(4)的底部。

3.根据权利要求1或2所述的一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，所述电机轴(16)从所述直线电机工作腔(1)的两端伸出，一端与隔振系统相连，另一端通过所述连杆销(10)与所述连杆(9)相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，所述的曲柄(8)、曲柄轴(681)、飞轮(6)和曲柄轴座(5)皆有对称的两个。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，曲柄连杆式机电惯容器可通过圆筒型直线电机与外端电路相连，实现以下三种工作模式：

馈能模式：外端电路为能量回收电路，当所述的电机轴(16)上下往复直线运动时，固结在电机轴(16)上的动子磁轭(15)和磁极(12)与定子铁芯(14)中的绕组线圈(13)发生相对运动，生成感应电动势，直线电机外端口产生端电压，当端电压作用在能量回收电路上时，电路对系统的振动能量进行回收、储存，用作其他耗能系统的能量输入；

被动控制模式：外端电路为电阻、电感和电容组成的无源网络，当端电压作用在无源网络上时，无源网络的电阻抗等效为机械网络的机械阻抗，进一步衰减了系统的振动；

主动控制模式：外端电路为电源，向直线电机供电，此时曲柄连杆式机电惯容器为力发生器，主动控制系统振动。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的一种曲柄连杆式机电惯容器装置，其特征在于，所述的连杆(9)选用调质钢制造；所述的连杆销(10)和曲柄销(7)为空心圆柱的结构，选用低碳钢或低碳合金钢制造，外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工；所述的曲柄(8)和曲柄轴(681)选用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。

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