CN112709784B

CN112709784B - 一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮

Info

Publication number: CN112709784B
Application number: CN202011540815.0A
Authority: CN
Inventors: 程哲; 李月昊; 胡茑庆; 陈凌; 肖卓; 陈家庚; 王博政; 周洋
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112709784A

Abstract

本发明公开一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，包括飞轮安装盘与若干展开飞轮；所述飞轮安装盘的边缘位置沿飞轮安装盘的周向间隔设有若干与展开飞轮一一对应的飞轮连接部；所述展开飞轮的首端转动连接在对应飞轮连接部上靠近其首端的位置；所述展开飞轮的尾端在展开飞轮的转动过程中具有靠近或远离对应飞轮连接部尾端的行程，进而实现飞轮的转动惯量连续可变。其在不增加额外装置且不利用额外能量的前提下，实现了飞轮转动惯量的连续可变且自适应于不同工况；不仅可根据使用条件设计最大转动惯量与最小转动惯量，具有更广的应用范围，而且结构紧凑，不会过多的增加飞轮的占用空间，同时制造与装配简单，成本低廉，具有良好的工程应用价值。

Description

一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮

技术领域

本发明涉及飞轮式惯容器减振技术领域，具体是一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，尤其是一种可用于包含惯容器的减振系统的转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮。

背景技术

2001年，剑桥大学Smith发明了“惯容器”。这种新型机械元件可以通过很小的结构质量提供非常大的惯性量。理想的惯容器元件定义为一种具有两个相对独立且自由运动端点的单通道机械元件，两端点受力大小相等且方向相反，并且与相对加速度成比例。根据结构原理，惯容器分为机械型、液压型、机电型和电磁型等四类。此外，根据传递运动的相对关系还可分为同轴直线型、平行轴型、扭转型等种类。而直线型机械惯容器最为常见，其由用以实现运动转换的传动机构和用以储存能量并提供主要转动惯量的飞轮组成。

对于一个圆盘状飞轮，其绕长度方向转动的转动惯量与其半径成二次方关系，即

其中J为转动惯量，m为飞轮质量，R为飞轮半径。当飞轮质量不变时，其回转半径增大，则飞轮的转动惯量增大。对于带有固定转动惯量飞轮的惯容器，其惯质系数无法适应变化的工况，尤其是大载荷作用瞬间，转动惯量的不可变造成的冲击效应，极大地限制了惯容器的使用效能。

发明内容

针对上述现有技术中一般惯容器所用飞轮转动惯量不可变，难以承受瞬时大载荷的问题，本发明提供一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，在不增加额外装置且不利用额外能量的前提下，实现了飞轮转动惯量的连续可变且自适应于不同工况。

为实现上述目的，本发明提供一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，包括飞轮安装盘与若干展开飞轮；

所述飞轮安装盘的边缘位置沿飞轮安装盘的周向间隔设有若干与展开飞轮一一对应的飞轮连接部；

所述展开飞轮的首端转动连接在对应飞轮连接部上靠近其首端的位置；

所述展开飞轮的尾端在展开飞轮的转动过程中具有靠近或远离对应飞轮连接部尾端的行程，进而实现飞轮的转动惯量连续可变。

在其中一个实施例中，所述飞轮连接部上靠近其首端的位置设有扭转弹簧，所述扭转弹簧的一端抵接在对应飞轮连接部的首端，另一端抵接在对应展开飞轮的首端，所述扭转弹簧具有预紧力；

当所述飞轮安装盘处于静置状态时，在扭转弹簧的预紧力的作用下，使得展开飞轮的尾端处于最接近对应飞轮连接部尾端的状态；

当所述飞轮安装盘的转速逐渐提升时且旋转离心力大于扭转弹簧的预紧力时，各所述展开飞轮的尾端逐渐远离对应飞轮连接部的尾端。

在其中一个实施例中，所述飞轮安装盘的边缘位置沿飞轮安装盘的周向间隔设有若干辐条形凸起，每相邻的两个辐条形凸起之间具有一所述飞轮连接部，所述飞轮连接部的首端为对应辐条形凸起的侧壁。

在其中一个实施例中，所述飞轮安装盘为一法兰形圆盘，各所述飞轮连接部构成该法兰形圆盘的大面端部分，所述展开飞轮为扇形结构；

当所述飞轮安装盘静置时，各所述展开飞轮的内圆弧与飞轮安装盘的凸缘完全贴合；

当所述飞轮安装盘的转速逐渐提升时，各所述展开飞轮的内圆弧逐渐远离飞轮安装盘的凸缘。

在其中一个实施例中，所述展开飞轮通过第一销轴螺钉转动连接在对应飞轮连接部上；

所述第一销轴螺钉包括从上至下依次相连的第一螺帽、第一光轴段与第一螺纹段，所述飞轮连接部上对应展开飞轮的转动位置设有第一螺纹孔；

所述第一螺纹段穿过展开飞轮后与第一螺纹孔之间螺纹配合，所述展开飞轮转动连接在第一光轴段上。

在其中一个实施例中，所述扭转弹簧通过第二销轴螺钉设在对应飞轮连接部上；

所述第二销轴螺钉包括从上至下依次相连的第二螺帽、第二光轴段与第二螺纹段，所述飞轮连接部上对应扭转弹簧的转动位置设有第二螺纹孔；

所述第二螺纹段螺纹连接在第二螺纹孔内，所述扭转弹簧套设在第二光轴段上。

在其中一个实施例中，还包括传动轴，所述飞轮安装盘固定套设在传动轴上。

在其中一个实施例中，所述展开飞轮由铁基材料制成，所述飞轮安装盘由轻质金属材料制成。。

本发明提供的一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，相较于现有技术，具有如下有益效果：

1.在不增加额外装置且不利用额外能量的前提下，实现了飞轮转动惯量的连续可变且自适应于不同工况；

2.结构紧凑，不会过多的增加飞轮的占用空间；

3.可根据使用条件设计最大转动惯量与最小转动惯量，具有更广的应用范围；

4.轮制造与装配简单，制造成本低廉，具有良好的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮的轴测图；

图2为本发明实施例中转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮在各展开飞轮展开时的整体结构主视图；

图3为本发明实施例中转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮在各展开飞轮闭合时的整体结构主视图；

图4为本发明实施例中飞轮安装盘的轴测图；

图5为本发明实施例中展开飞轮的主视图；

图6为本发明实施例中第一销轴螺钉的主视图。

附图标号：传动轴10、键101、飞轮安装盘20、飞轮连接部201、辐条形凸起202、凸缘203、第一螺纹孔204、第二螺纹孔205、键槽206、展开飞轮30、通孔301、扭转弹簧40、第一销轴螺钉50、第一螺帽501、第一光轴段502、第一螺纹段503、第二销轴螺钉60。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-6所示为本实施例所公开的一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，其具体包括传动轴10、飞轮安装盘20与若干展开飞轮30。飞轮安装盘20安装于传动轴10上，以用于展开飞轮30的承载与限位。其中，飞轮安装盘20与传动轴10通过键101与键槽206连接，当然，本实施例中飞轮安装盘20与传动轴10之间的连接方式并不限于键连接，仅需满足将传动轴10的扭矩稳定传递到飞轮安装盘20的连接方式即可。

具体地，飞轮安装盘20的边缘位置沿飞轮安装盘20的周向间隔设有若干与展开飞轮30一一对应的飞轮连接部201。展开飞轮30的首端转动连接在对应飞轮连接部201上靠近其首端的位置，展开飞轮30的尾端在展开飞轮30的转动过程中具有靠近或远离对应飞轮连接部201尾端的行程，其中，展开飞轮30的尾端与飞轮安装盘20之间不存在任何的连接结构，在飞轮安装盘20旋转过程中离心力的作用下，展开飞轮30的尾端会逐渐远离对应飞轮连接部201尾端，这一过程变向的连续增大了飞轮的回转半径，进而使得飞轮的转动惯量增大，其增大过程是连续的且自适应于飞轮安装盘20的转速，实现了飞轮的转动惯量自适应连续可变。

进一步具体地，飞轮连接部201上靠近其首端的位置设有扭转弹簧40，扭转弹簧40的一端抵接在对应飞轮连接部201的首端，另一端抵接在对应展开飞轮30的首端。其中，扭转弹簧40具有预紧力，该预紧力会促使展开飞轮30的尾端靠近对应飞轮连接部201的尾端。因此，当飞轮安装盘20处于静置状态时，此时展开飞轮30仅受到扭转弹簧40的预紧力，在该预紧力的作用下，使得展开飞轮30的尾端处于最接近对应飞轮连接部201尾端的状态，此时飞轮的回转半径最小。当飞轮安装盘20的转速逐渐提升时，展开飞轮30所受的旋转离心力逐渐增大，当旋转离心力大于扭转弹簧40的预紧力时，各展开飞轮30的尾端在旋转离心力的作用下逐渐远离对应飞轮连接部201的尾端，使得飞轮的回转半径逐渐增大，实现了飞轮的转动惯量连续可变。

优选地，扭转弹簧40的两端与飞轮连接部201、展开飞轮30之间除了抵接的连接方式外，还可以采用卡扣连接或钩接的方式，以防止扭转弹簧40在受力过程中发生偏转。

作为优选地实施方式，飞轮安装盘20的边缘位置沿飞轮安装盘20的周向间隔设有若干辐条形凸起202，每相邻的两个辐条形凸起202之间具有一飞轮连接部201，飞轮连接部201的首端为对应辐条形凸起202的侧壁。其中，辐条形凸起202不仅起到了连接扭转弹簧40的作用，还对展开飞轮30起到了限位作用，避免了因转角过大使得相邻的展开飞轮30之间发生碰撞。

本实施例中，飞轮安装盘20为一法兰形圆盘，其具体包括内部的凸缘203以及环绕在凸缘203上的大面端部分，其中，各飞轮连接部201构成该法兰形圆盘的大面端部分。展开飞轮30为扇形结构，其内圆弧的半径与凸缘203的半径相等，而外圆弧尺寸可根据所需转动惯量变更设计。当飞轮安装盘20静置时，各展开飞轮30的内圆弧与飞轮安装盘20的凸缘203完全贴合；当飞轮安装盘20的转速逐渐提升至一定程度后，各展开飞轮30的内圆弧逐渐远离飞轮安装盘20的凸缘203。

本实施例中，展开飞轮30通过第一销轴螺钉50转动连接在对应飞轮连接部201上。其中，第一销轴螺钉50包括从上至下依次相连的第一螺帽501、第一光轴段502与第一螺纹段503，飞轮连接部201上对应展开飞轮30的转动位置设有第一螺纹孔204，展开飞轮30上设有对应第一螺纹孔204的通孔301；第一螺纹段503穿过展开飞轮30上的通孔301后与第一螺纹孔204之间螺纹配合，展开飞轮30转动连接在第一光轴段502上。第一螺帽501用于限制展开飞轮30沿第一销轴螺钉50的长度方向窜动。其中优选地，第一螺帽501上开有一字沟槽，用于通用工具的拆装使用，但不限于一字沟槽，可与通用拆装工具配合即可。当然，展开飞轮30与对应飞轮连接部201之间的连接结构不仅仅局限于第一销轴螺钉50，也可以采用其他能够达到同样效果的连接件，例如铰链等。

本实施例中，扭转弹簧40通过第二销轴螺钉60设在对应飞轮连接部201上。其中，第二销轴螺钉60包括从上至下依次相连的第二螺帽、第二光轴段与第二螺纹段，飞轮连接部201上对应扭转弹簧40的转动位置设有第二螺纹孔205；第二螺纹段螺纹连接在第二螺纹孔205内，扭转弹簧40套设在第二光轴段上。第二螺帽用于限制扭转弹簧40沿第二销轴螺钉的长度方向窜动，其中优选地，第二光轴段上设有能够嵌入扭转弹簧40的嵌入槽，进一步限制扭转弹簧40的窜动。进一步优选地，第二螺帽上开有一字沟槽，用于通用工具的拆装使用，但不限于一字沟槽，可与通用拆装工具配合即可。当然，扭转弹簧40与对应飞轮连接部201之间的连接结构不仅仅局限于第二销轴螺钉，也可以采用其他能够达到同样效果的连接件，例如固定轴等。

本实施例中，由于展开飞轮30需提供大部分转动惯量并作为可变惯量，而飞轮安装盘20需提供小部分转动惯量，以此增大整体转动惯量变化量。为此展开飞轮30采用包括碳钢材料和不锈钢材料等在内的铁基材料制作，飞轮安装盘20采用包括6061合金、硬铝等在内的轻质金属材料制作。

本实施例还公开了一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮的装配方法，其具体包括以下步骤：

一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮的装配方法，包括以下步骤：

步骤1，安装扭转弹簧40：将扭转弹簧40套于第二销轴螺钉60上，借助拆装工具将第二销轴螺钉与扭转弹簧40通过螺纹连接安装于飞轮安装盘20上。

步骤2，安装展开飞轮30：将第一销轴螺钉50插入展开飞轮304的通孔301中，借助拆装工具将第一销轴螺钉50与展开飞轮30通过螺纹连接安装于飞轮安装盘20上。

步骤3，重复步骤1与步骤2，将若干组扭转弹簧40与展开飞轮30安装于飞轮安装盘20上。

步骤4，完成飞轮与传动轴10的连接：通过平键连接等连接方式，将飞轮安装盘20安装于传动轴10上。

本实施还给出了一种上述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮的具体示例，其主要参数包括：展开飞轮30内圆弧半径为50mm，其外圆弧半径为80mm。展开飞轮30材质为304不锈钢，飞轮安装盘20材质为6061合金。忽略传动轴10与扭转弹簧40转动惯量，当若干展开飞轮30均闭合时，所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮整体绕转轴转动惯量为7.39×106g·mm²，当若干展开飞轮30均展开至极限位置时，所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮整体绕转轴转动惯量为1.13×107g·mm²。由此可见，展开飞轮30展开程度极大影响整体转动惯量，而展开程度随传动轴10转速而改变，由此实现了所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮实用功能。而且展开飞轮30内外圆弧半径可根据设计要求而设计，得到不同的整体转动惯量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，其特征在于，包括飞轮安装盘与若干展开飞轮；

所述展开飞轮的尾端在展开飞轮的转动过程中具有靠近或远离对应飞轮连接部尾端的行程，进而实现飞轮的转动惯量连续可变；

所述飞轮连接部上靠近其首端的位置设有扭转弹簧，所述扭转弹簧的一端抵接在对应飞轮连接部的首端，另一端抵接在对应展开飞轮的首端，所述扭转弹簧具有预紧力；

当所述飞轮安装盘的转速逐渐提升时且旋转离心力大于扭转弹簧的预紧力时，各所述展开飞轮的尾端逐渐远离对应飞轮连接部的尾端；

所述飞轮安装盘的边缘位置沿飞轮安装盘的周向间隔设有若干辐条形凸起，每相邻的两个辐条形凸起之间具有一所述飞轮连接部，所述飞轮连接部的首端为对应辐条形凸起的侧壁；

所述飞轮安装盘为一法兰形圆盘，各所述飞轮连接部构成该法兰形圆盘的大面端部分，所述展开飞轮为扇形结构；

2.根据权利要求1所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，其特征在于，所述展开飞轮通过第一销轴螺钉转动连接在对应飞轮连接部上；

3.根据权利要求1所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，其特征在于，所述扭转弹簧通过第二销轴螺钉设在对应飞轮连接部上；

4.根据权利要求1所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，其特征在于，还包括传动轴，所述飞轮安装盘固定套设在传动轴上。

5.根据权利要求1所述转动惯量连续可变的自适应展开式飞轮，其特征在于，所述展开飞轮由铁基材料制成，所述飞轮安装盘由轻质金属材料制成。