CN112510917A - 一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，采用直线电机、旋转电机和齿轮齿条机构相耦合的结构形式，可实现“馈能”、“被动控制”和“主动控制”三种不同工作模式。其中，“馈能”模式下可有效地实现系统的振动能量回收，具有更高的能量回收效率；“被动控制”模式下可将复杂的机械网络通过直线电机和旋转电机外端电网络进行模拟实现，同时实现复杂机电网络的一体化集成设计；“主动控制”模式下可将齿轮齿条式惯性馈能装置作为力发生器对振动系统进行调谐控制。本发明所述的新型齿轮齿条式惯性馈能装置动态性能优越，具有多种工作模式，可实现复杂的系统阻抗输出，和有效地节省安装空间并实现振动能量的回收。

Description

一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置
技术领域
本发明属于工程隔振领域，尤其涉及一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置。
背景技术
作为承载车身重力与缓冲路面不平度冲击的总成装置，悬架的优劣对车辆的行驶性能有着重要的影响作用。为突破传统机械隔振系统“质量-弹簧-阻尼器”(Mass-Spring-Damper)性能提升的瓶颈，解决质量块元件的单端点问题，惯容器应运而生。由此形成的新型机械隔振网络“惯容器-弹簧-阻尼器”(Inerter-Spring-Damper)展现出了极大的隔振潜力并已在诸多隔振领域得到证实。
国内外研究中，多种性能优良的ISD网络隔振结构被提出并验证其有效的隔振优势。根据新机电相似性理论，惯容器对应于电网络中的电容元件，目前较为常见的惯容器实现形式有滚珠丝杠式、齿轮齿条式和液压-泵式。但是，单纯的机械网络元件较为复杂，难以在工程实践中得到应用。随着汽车电动化和节能化的加速推进，新能源汽车成为了汽车工程领域的研究热点。如何在新能源汽车行驶过程中实现能量回收，同时可有效改善悬架系统的隔振性能，成为新能源汽车底盘的核心技术。
发明内容
本发明的目的是：提出一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，可实现新能源车辆行驶过程中的振动能量回收，同时实现复杂悬架结构的一体化设计，可有效改善悬架系统的隔振性能，实现节能减排的同时，提升新能源汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。
为实现上述发明目的所采用的技术手段实现为：
一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，包括上吊耳(1)，下吊耳(7)，工作壳体(14)，以及工作壳体(14)内部的电机工作腔(2)，电机缸筒(3)，直线电机定子(4)，绕组(5)，大齿轮(6)，动子轴(8)，动子磁极(9)，直线电机动子磁轭(10)，齿条(11)，小齿轮(12)，中齿轮(13)，工作壳体(14)，平键(15)，旋转电机定子(17)，旋转电机中心转子(18)，旋转电机转子轴(19)，外壳体(20)，旋转电机壳体(21)，支架(23)；
所述电机缸筒(3)的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子(4)，直线电机定子(4)内均布有绕组(5)，动子磁极(9)与直线电机动子磁轭(10)均固定在动子轴(8)上，上吊耳(1)与动子轴(8)上端焊接为一体，动子轴(8)下端从电机工作腔(2)伸出与齿条(11)焊接连成一体；所述齿条(11)与小齿轮(12)通过啮合连接；所述小齿轮(12)与大齿轮(6)固结为一体，可同轴共同旋转，且大齿轮(6)与中齿轮(13)相啮合转动；
所述外壳体(20)内部设有旋转电机壳体(21)，旋转电机壳体(21)固定在外壳体(20)内壁上，所述旋转电机壳体(21)内部设有旋转电机转子轴(19)，旋转电机转子轴(19)周围设有旋转电机中心转子(18)，且旋转电机中心转子(18)固定在旋转电机转子轴(19)上；旋转电机定子(17)固定在旋转电机壳体(21)上；所述外壳体(20)通过支架(23)与工作壳体(14)焊接为一体，位置相对静止，且中齿轮(13)通过平键(15)与旋转电机转子轴(19)连接，可同轴转动；下吊耳(7)与工作壳体(14)焊接为一体。
进一步，还包括旋转电机上端盖轴承(16)和旋转电机下端盖轴承(22)，所述旋转电机上端盖轴承(16)和旋转电机下端盖轴承(22)分别与旋转电机转子轴(19)相配合安装于旋转电机壳体(21)的左端与右端。
进一步，所述动子轴(8)可在电机工作腔(2)内做径向直线往复运动，旋转电机转子轴(19)与固结的旋转电机中心转子(18)可在旋转电机壳体(21)内做旋转运动。
进一步，所述上吊耳(1)与隔振系统上端点相铰接，下吊耳(7)与隔振系统下端点相铰接。
进一步，该装置工作在三种工作模式：
1)当直线电机和旋转电机处于馈能状态时，利用上吊耳、下吊耳之间的相对运动以及齿条(11)、小齿轮(12)、大齿轮(6)、中齿轮(13)间的相互啮合使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，此时齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”；
2)当直线电机和旋转电机处于被动控制状态时，由上吊耳(1)，下吊耳(7)，动子轴(8)，齿条(11)，小齿轮(12)，中齿轮(13)组成齿轮齿条式惯容器，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“被动控制模式”；
3)当直线电机和旋转电机处于主动控制状态时，可通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，实现对振动系统的主动控制，此时齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
本发明的有益实施效果是：
本发明公开的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置可工作在三种工作模式：
(1)馈能模式：通过上下吊耳之间的相对运动以及齿条齿轮间的相互啮合使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，相较于传统的单独的旋转电机或直线电机形式，本发明采用的双电机馈能装置具有更高的能量回收效率，此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”。
(2)被动控制模式：在齿轮齿条式惯容器的基础上，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，可有效提升装置的隔振性能。此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“被动控制模式”。
(3)主动控制模式：通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，根据设计的控制策略对振动系统进行主动调谐控制，实现对振动系统的主动控制，此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
本发明利用采用直线电机和旋转电机耦合的结构形式，可实现“馈能”、“被动控制”和“主动控制”三种不同工作模式。“馈能”模式下可有效地实现系统的振动能量回收，具有更高的能量回收效率；“被动控制”模式下可将复杂的机械网络通过直线电机和旋转电机的外端电网络进行模拟实现，同时实现复杂机电网络的一体化集成设计；“主动控制”模式下可将新型齿轮齿条式惯性馈能装置作为力发生器对振动系统进行调谐控制。本发明所述的新型齿轮齿条式惯性馈能装置，可实现复杂的系统阻抗输出，其受非线性因素影响较小，且动态性能优越，可有效地节省安装空间并实现振动能量的回收。
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是一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置结构主视图。
图2是一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置结构侧视图。
附图标记说明：
1-上吊耳，2-电机工作腔，3-电机缸筒，4-直线电机定子，5-绕组，6-大齿轮，7-下吊耳，8-动子轴，9-动子磁极，10-直线电机动子磁轭，11-齿条，12-小齿轮，13-中齿轮，14-工作壳体，15-平键，16-旋转电机上端盖轴承，17-旋转电机定子，18-旋转电机中心转子，19-旋转电机转子轴，20-外壳体，21-旋转电机壳体，22-旋转电机下端盖轴承，23-支架。
具体实施方式
下面结合附图1以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示，一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，包括上吊耳1，电机工作腔2，电机缸筒3，直线电机定子4，绕组5，大齿轮6，下吊耳7，动子轴8，动子磁极9，直线电机动子磁轭10，齿条11，小齿轮12，中齿轮13，工作壳体14，平键15，旋转电机上端盖轴承16，旋转电机定子17，旋转电机中心转子18，旋转电机转子轴19，外壳体20，旋转电机壳体21，旋转电机下端盖轴承22，支架23。
其中，上吊耳1与动子轴8焊接为一体，电机缸筒3的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子4，直线电机定子4内均布有绕组5，动子磁极9与直线电机动子磁轭10均固定在动子轴8上，动子轴8从电机工作腔2伸出与齿条11焊接连成一体，所述齿条11与小齿轮12通过啮合连接。
所述外壳体20内部设有旋转电机壳体21，旋转电机壳体21固定在外壳体20内壁上，所述旋转电机壳体21内部设有旋转电机转子轴19，旋转电机转子轴19周围设有旋转电机中心转子18，且旋转电机中心转子18固定在旋转电机转子轴19上；旋转电机定子17固定在旋转电机壳体21上。
所述小齿轮12与大齿轮6固结为一体，可同轴共同旋转，且大齿轮6与中齿轮13相啮合转动。
所述外壳体20通过支架23与工作壳体14焊接为一体，位置相对静止，且中齿轮13通过平键15与旋转电机转子轴19连接，可同轴转动。
所述旋转电机上端盖轴承16和旋转电机下端盖轴承22分别与旋转电机转子轴19相配合安装于旋转电机壳体21的左端与右端。
所述动子轴8可在电机工作腔2内做径向直线往复运动，旋转电机转子轴19与固结的旋转电机中心转子18可在旋转电机壳体21内做旋转运动。下吊耳7与工作壳体14焊接为一体。
所述上吊耳1与隔振系统上端点相铰接，下吊耳7与隔振系统下端点相铰接，由此完成一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置的安装。
以图1、2所示的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置为例，其工作过程为：
当上吊耳1与下吊耳7之间产生相对压缩或拉伸运动时，固定在电机缸筒3上的直线电机定子4相对于动子轴8做径向相对直线运动，动子磁极9与直线电机动子磁轭10相对于直线电机定子4做切割磁感线运动，带动直线电机发电，在外端电路产生感应电压。
与此同时，齿条11与动子轴8做径向相对直线运动，齿条11与小齿轮12通过啮合连接共同旋转，小齿轮12与大齿轮6同轴旋转，大齿轮6与中齿轮13相啮合转动，从而中齿轮13带动旋转电机转子轴19做旋转运动，旋转电机中心转子18也相较于旋转电机定子17做切割磁感线旋转运动，带动旋转电机发电，在外端电路产生感应电压。
本发明所提出的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，具有以下几种工作模式：
(1)当直线电机和旋转电机处于馈能状态时，利用上下吊耳之间的相对运动以及齿条齿轮间的相互啮合使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，相较于传统的单独的旋转电机或直线电机形式，本发明采用的双电机馈能装置具有更高的能量回收效率，此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”。
(2)当直线电机和旋转电机处于被动控制状态时，在齿轮齿条式惯容器的基础上，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，可有效提升装置的隔振性能。此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“被动控制模式”。
(3)当直线电机和旋转电机处于主动控制状态时，可通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，根据设计的控制策略对振动系统进行主动调谐控制，实现对振动系统的主动控制，此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
综上可以看出，本发明公开的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，利用上下吊耳之间的相对运动以及齿条齿轮间相互啮合，可实现“馈能”、“被动控制”和“主动控制”三种不同工作模式。“馈能”模式下可有效地实现系统的振动能量回收，具有更高的能量回收效率；“被动控制”模式下可将复杂的机械网络通过电网络进行模拟实现，同时实现复杂机电网络的一体化集成设计；“主动控制”模式下可将新型齿轮齿条式惯性馈能装置作为力发生器对振动系统进行调谐控制。本发明所提出的新型齿轮齿条式惯性馈能装置，其作用机理简单，受非线性因素影响较小，且动态性能优越，性能稳定，同时可进行能量回收，减小能量消耗，具有更广阔的应用前景。
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 (5)

1.一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，其特征在于，包括上吊耳(1)，下吊耳(7)，工作壳体(14)，以及工作壳体(14)内部的电机工作腔(2)，电机缸筒(3)，直线电机定子(4)，绕组(5)，大齿轮(6)，动子轴(8)，动子磁极(9)，直线电机动子磁轭(10)，齿条(11)，小齿轮(12)，中齿轮(13)，工作壳体(14)，平键(15)，旋转电机定子(17)，旋转电机中心转子(18)，旋转电机转子轴(19)，外壳体(20)，旋转电机壳体(21)，支架(23)；
所述电机缸筒(3)的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子(4)，直线电机定子(4)内均布有绕组(5)，动子磁极(9)与直线电机动子磁轭(10)均固定在动子轴(8)上，上吊耳(1)与动子轴(8)上端焊接为一体，动子轴(8)下端从电机工作腔(2)伸出与齿条(11)焊接连成一体；所述齿条(11)与小齿轮(12)通过啮合连接；所述小齿轮(12)与大齿轮(6)固结为一体，可同轴共同旋转，且大齿轮(6)与中齿轮(13)相啮合转动；
所述外壳体(20)内部设有旋转电机壳体(21)，旋转电机壳体(21)固定在外壳体(20)内壁上，所述旋转电机壳体(21)内部设有旋转电机转子轴(19)，旋转电机转子轴(19)周围设有旋转电机中心转子(18)，且旋转电机中心转子(18)固定在旋转电机转子轴(19)上；旋转电机定子(17)固定在旋转电机壳体(21)上；所述外壳体(20)通过支架(23)与工作壳体(14)焊接为一体，位置相对静止，且中齿轮(13)通过平键(15)与旋转电机转子轴(19)连接，可同轴转动；下吊耳(7)与工作壳体(14)焊接为一体。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，其特征在于，还包括旋转电机上端盖轴承(16)和旋转电机下端盖轴承(22)，所述旋转电机上端盖轴承(16)和旋转电机下端盖轴承(22)分别与旋转电机转子轴(19)相配合安装于旋转电机壳体(21)的左端与右端。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，其特征在于，所述动子轴(8)可在电机工作腔(2)内做径向直线往复运动，旋转电机转子轴(19)与固结的旋转电机中心转子(18)可在旋转电机壳体(21)内做旋转运动。
4.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，其特征在于，所述上吊耳(1)与隔振系统上端点相铰接，下吊耳(7)与隔振系统下端点相铰接。
5.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，其特征在于，该装置工作在三种工作模式：
1)当直线电机和旋转电机处于馈能状态时，利用上吊耳、下吊耳之间的相对运动以及齿条(11)、小齿轮(12)、大齿轮(6)、中齿轮(13)间的相互啮合使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，此时齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”；
2)当直线电机和旋转电机处于被动控制状态时，由上吊耳(1)，下吊耳(7)，动子轴(8)，齿条(11)，小齿轮(12)，中齿轮(13)组成齿轮齿条式惯容器，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，此时新型齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“被动控制模式”；
3)当直线电机和旋转电机处于主动控制状态时，可通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，实现对振动系统的主动控制，此时齿轮齿条式惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
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