CN113613987A - 轮式步进推进装置的振动补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将旋转运动转换为其他类型的运动，特别是均匀平移运动的机构，并旨在被用作步进轮推进单元的振荡补偿器。一种用于步进轮推进单元的振动补偿装置，包括多个支撑件，所述支撑件对称地紧固到输出轴上，所述输出轴被紧固用于由输入轴制动的横向运动，所述输出轴紧固在曲柄的自由端上。输出轴通过一个变速器旋转，变速器根据曲柄的当前位置和曲柄的角速度改变输出轴的角速度。本发明避免了在装置中对凸轮机构和弹簧的需要，减小了摩擦系数和装置的尺寸，并显著地减小了空间和速度振荡。

Description

轮式步进推进装置的振动补偿方法及装置

本发明涉及用于将旋转运动转换为其他类型的运动，特别是转换为均匀平移运动的机构，并旨在被用作步进轮推进装置的振动补偿器。在轮式步进推进装置的各种设计中，均假定采用各种移动支撑代替轮辋。这种推进装置的最简单的形式是一个没有轮辋的轮子，由辐条组成，推进装置在其运动过程中搁置在辐条上。当在不平坦和不稳定的表面上行驶时，没有轮辋具有一定的优势，但会导致车轴和整个结构的不必要的振动。要摆脱这些振动，就需要一个附加的机构--振动补偿器。

已知的“用于在各种支撑表面上运动的带有步进轮推进装置的底盘”(专利号RU2628285C2)，它为支撑运动引起的振动补偿器提供了几种选择。在该专利中，车辆底盘包含轮式步进推进装置。每个轮式步进推进装置由至少三个支撑件组成，支撑件相对于轴的旋转轴线对称且彼此倾斜地固定在公共轴上，形成一个假想的金字塔的侧边缘。在这种情况下，该轴与支撑表面成一定角度定位，使得每个推进装置的不超过两个支撑件同时接触支撑表面。此外，该轴以可横向运动的方式可移动地固定，并与振动补偿器运动连接。振动补偿器固定在底盘上。

在一种振荡补偿器中，使用偶数个轮式步进推进装置，每对都有一个公共的振荡补偿器，它由一个在固定轴线上摆动的公共杠杆组成，固定在底盘框架上。在这种情况下，在每一对轮式步进推进装置中，输出轴由一个公共的驱动器驱动成同步旋转，这些轴上的支撑件被反相安装。

这种机构的缺点是其成对的轮式步进推进装置的运动强制同步，这使得在具有复杂起伏的表面上的运动显着复杂化。另外，这种推进装置成对布置、同步的方案，使得无法通过单独的推进装置相对于车辆底盘的转动来实现机动。

与所提出的装置最接近的是振荡补偿器的一种变型(专利号RU2628285C2)，其中输入轴的旋转被转换为输出轴的复杂的旋转-往复运动，由于凸轮机构，支撑件被固定在输出轴上。在该实施例中，振动补偿器由在固定轴线上摆动的杠杆组成，被固定到底盘框架上。轮毂固定在杠杆的自由端，其中轴承在输出轴上旋转。复位弹簧作用在杠杆的顶部，凸轮机构作用在杠杆的底部，凸轮机构由三个辊子组成，在穿过底盘框架的轴上旋转。轴和凸轮机构由一个共同的驱动器驱动，并以相同的频率同步旋转，这使得可以平滑轴的垂直振动。当接触表面的支撑件从倾斜位置变为垂直位置时，凸轮机构在棍子的帮助下将杠杆抬起，并且当接触表面的支撑件从垂直位置移动到倾斜位置时，复位弹簧使杠杆下降。

这种机构的缺点是凸轮机构和弹簧的快速磨损(摩擦系数高)以及输出轴存在显著的残余垂直振动。特别地，这些振动的振幅至少是支撑件长度的30％。此外，将输入轴的旋转直接传递到输出轴会在支撑件端部的支撑点相对于机构主体的运动速度中产生显著波动，因为支撑件在旋转时以不同的角度接触表面(三个支撑件从30度到90度)。这导致在输入轴的恒定角速度下的线速度出现两倍的变化，这取决于支撑件的当前位置，因此，在输入轴上的负载中出现至少两倍的波动。最后，该机构的运行假定支撑件始终粘附在表面的，这并不总是可能的。

本发明的目的是创造一种从根本上新的振动补偿方法和装置，其中将消除原型的缺点：最小化零件的高磨损和摩擦系数、以及最小化轴的垂直振动、最小化输出轴上负载中的高速振动和波动。

这些任务是通过以下事实实现的：在所提出的振动补偿装置中，输出轴1(图1)固定在曲柄2上，由输入轴3驱动旋转。支撑件4固定在输出轴1上。当输出轴1旋转时，一个或两个支撑件4接触表面5。输出轴1由变速器6驱动。变速器6根据曲柄2的当前位置及其当前角速度改变输出轴1的角速度。在这种情况下，曲柄2和输出轴1制成沿相同方向旋转的可能性，并且输出轴1比曲柄2旋转得慢，特别是当支撑件4的数量等于三个时，曲柄2旋转一整圈，输出轴1必须旋转1/3圈，但以浮动角速度旋转。当接触表面5的支撑件4中的一个处于垂直位置时，变速器6必须在曲柄2的上部位置产生最大角速度，而当两个支撑件4同时接触表面5时，变速器6必须在曲柄2的下部位置产生最小角速度。根据这些条件和正确选择的参数，可以确保分配任务的解决方案。

如果输出轴1由单独的驱动器驱动，例如电动伺服器，则可使用电子变速器改变伺服的角速度。为了调节伺服器的旋转速度-电子版(version)连接到一个编码器，该编码器监控曲柄2的当前位置及其相对于振动补偿装置主体的角速度。

如果输出轴1接受动力并通过传动装置和变速器6从输入轴3被驱动旋转，则提出使用控制杆7来控制变速器6(图2)。为此，连接杆7的轴线8必须固定在振动补偿装置的壳体中，距离输入轴3预定距离。这个距离允许你调整输出轴1角速度变化的性质。连接杆7的另一端穿过输出轴1的轴线。由于这种布置，连接杆7和曲柄2之间的角度根据输出轴1的角速度的所需变化而变化。

用于控制输出轴1的角速度的另一选择是可以使用由行星(planetary)齿轮组成的变速器6。该行星机构包括固定在振动补偿装置壳体上的与输入轴3同轴的静止太阳齿轮9(图3)和固定在托架上的至少一个卫星10。卫星的直径建议与太阳齿轮9的直径相同。曲柄2用作托架。卫星的旋转可以用来改变输出轴1的角速度。

下面显示的选项中，变速器被一个由连接杆7控制的齿轮箱代替。在一般情况下，振动补偿装置包括行星齿轮，齿轮箱11附接在行星齿轮的卫星10上，并且齿轮箱11的输出轴是输出轴1。控制杆7的一端与齿轮箱11相互作用，特别是与齿轮箱11的一个元件相互作用，并且杆7的第二端被相对于振动补偿装置的主体静止的轴线所限制。这个轴线可以是输入轴3。在这种情况下，连接杆7的端部具有带有轴向槽的引导件，允许连接杆7穿过输入轴3。一种选项是可能的，其中引导件穿过与输入轴3隔开预定距离的轴线，控制杆7也可以制成可变长度，例如伸缩式。在这种情况下，连接杆的第二端自由地安装在输入轴3的轴线上或单独的轴线上。轴承可被用于自由安装。控制杆7的相对端与齿轮箱11的一个元件的相互作用的机制取决于所使用的齿轮箱的类型。此外，通过具体例子，示出了如何使用控制杆7和行星齿轮来控制输出轴1的角速度。选项下所示的选项在齿轮箱11的类型和紧固控制杆7的方法上有所不同。

根据第一变型，行星齿轮箱用作减速器11。一个简单的行星变速箱有三个主要部件：中心太阳齿轮、托架和周转(epicyclic)中心齿轮。在所示的示例中，安装行星变速箱的卫星10(图4)，同时也是该行星变速箱的中心太阳齿轮。行星变速箱的周转齿轮12连接到输出轴1。在这种情况下，控制杆7的端部与托架13固定。至少一个卫星14附接到托架13上。为了在托架13上获得所需的传动比，可以使用不同直径的成对卫星14，形成两排行星齿轮箱。为了使行星齿轮和行星齿轮箱不相互干涉，卫星10必须突出在太阳齿轮9的上方，使得带有卫星14的托架13可以在不接触太阳齿轮9的情况下无障碍地围绕卫星10旋转。在支撑件4的数量等于3并且等于齿轮9和10的直径时，行星齿轮的中心周转齿轮12与中心太阳齿轮的比值应为3：2。该比值使得输入轴1转一整圈可以获得输出轴3转1/3圈。

下一个子选项涉及使用不同类型的齿轮箱11，该齿轮箱11由与卫星10同轴定位并连接到输出轴1的从动齿轮15(图5)组成。减速器还包括主动周转齿轮16。该齿轮的轴线17偏心地安装在卫星10上，与输出轴3相距预定的距离，并且齿面向内与从动齿轮15啮合。从轴线17到从动齿轮15的中心的距离影响输出轴3的角速度变化的性质。控制杆7的端部与主动周转齿轮16相互作用。这种相互作用在于控制杆7设定主动周转齿轮16的方向。有几种方法可以实现这一点，它们中的每一种都不改变本发明的本质。图5示出了一种方法，其中主动周转齿轮16具有两个销17和18，控制杆7具有凹槽。该凹槽穿过两个销17和18，因此控制杆7的任何旋转都自动地以相同的角度转动周转齿轮16。这样的凹槽可以在控制杆7的另一端，并且它可以穿过该凹槽穿过输入轴3。在这种情况下，控制杆7可以与周转齿轮16刚性固定。当支撑件4的数量等于3并且等于齿轮9和10的直径时，主动周转齿轮16与从动齿轮15的比值应为5：3。该比值使得输入轴1转一整圈可以获得输出轴3转1/3圈。

下一个子选项与前一个子选项的不同之处在于，代替前周转齿轮16，使用齿面向外的齿轮19。其轴线也被定位，但齿轮19本身必须相对于从动齿轮15在平行平面内。主动齿轮19和从动齿轮15通过一个或多个中间齿轮20相互作用。空转齿轮20的轴线附接到卫星10上。否则，此子选项和前一个子选项彼此相似。在支撑件数量等于3的情况下，主动齿轮16与从动齿轮15的比值也是5：3。

另一个选项涉及行星齿轮的形状。建议使用椭圆形的静止太阳齿轮21(图7)。和它接合的卫星22具有相同的椭圆形状和相同的尺寸。椭圆形状的使用使得可以使控制杆7具有固定尺寸并且没有轴向槽。在该方案中，曲柄2和控制杆7具有相同的尺寸，并且偏心地安装在行星机构的这些椭圆齿轮的焦点处，并且焦点相反。在卫星22上安装有齿轮箱11，齿轮箱11由连接杆7控制，并使输出轴1与支撑件4一起旋转。

振动补偿方法实现如下，其对于上述所有装置选项都是相同的：输出轴1(图8)在曲柄2的自由端旋转，输出轴1上对称地固定着几个支撑件4。曲柄2本身由输入轴3驱动。在这种情况下，输出轴1在与曲柄2相同的方向和平面上旋转。但是输出轴1的旋转速度比曲柄2慢，特别是当支撑件4的数目等于3个时，曲柄2转一整圈时，输出轴1必须转1/3圈，但以浮动角速度旋转。输出轴1的角速度根据当前位置和曲柄的角速度而改变。角速度的变化是以输出轴1的最大角速度处于曲柄2的上部位置的方式进行的，其中一个支撑件4处于垂直位置。当支撑件4以最小角度接触表面时，输出轴1的最小角速度是在曲柄2的下部位置获得的。角速度的变化平稳地进行。

为了清楚起见，图8中曲柄2的旋转以4个主要旋转阶段的形式显示：第一阶段--从上部垂直位置转动45度，第二阶段--再转动45度到曲柄2的水平位置。第三阶段--从水平位置向下转下一个45度，最后第四阶段--转动下一个45度到底部垂直位置。在下列情况下，当使用三个支撑件4时，观察到两种类型(空间和速度)的振动的最大减少：

在第一阶段，输出轴3将旋转约22-23度

在第二阶段，输出轴3将旋转17-18度

在第三阶段，输出轴3将旋转约11-12度

而在第四阶段，输出轴3将旋转约6.5-7.5度。

当曲柄2从下部位置移动到上部位置时，输出轴1的旋转也以同样的方式进行--在下部位置，旋转角度最小，在上部位置，旋转角度最大。

这种方法和振动补偿装置的机构的所有上述选项使得在所提出的装置中排除凸轮机构和弹簧成为可能，降低了摩擦系数和装置的尺寸，并显著降低了空间和高速振动。

由于所给出的解决方案和最优选择的参数，垂直振动可以减小到支撑件长度的5％，参考点线速度的波动可以减小到它们的平均速度的6.5％。

Claims (16)

1.一种补偿轮式步进推进装置振动的方法：其特征在于，输出轴固定在由输入轴转动的曲柄的自由端，所述输出轴上对称固定有多个支撑件，而所述输出轴与所述曲柄沿同一方向和平面旋转，但所述输出轴的角速度随所述曲柄的位置和角速度而变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲柄转一整周，所述输出轴旋转1/n转，其中n是固定在所述输出轴上的所述支撑件的数量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出轴的最大角速度在所述曲柄的上部位置产生，其中接触表面的支撑件之一处于垂直位置，并且当两个支撑件同时接触所述表面时，在所述曲柄的下部位置获得最小角速度。

4.一种用于轮式步进推进装置的振动补偿装置，其特征在于，包括对称地固定在输出轴上的多个支撑件，其中可横向运动地被固定，所述振动补偿装置包括：

由输入轴驱动的曲柄，固定在所述曲柄的自由端的输出轴，而所述输出轴通过变速器驱动旋转，所述变速器根据所述曲柄的当前位置及其角速度改变所述输出轴的角速度。

5.根据权利要求4所述的振动补偿装置，其特征在于，包括确定曲柄的位置及其角速度的编码器，以及所述变速器是伺服驱动器，包括连接到编码器的电子变速器。

6.根据权利要求4所述的振动补偿装置，其特征在于，所述变速器包括由曲柄旋转的控制连接杆，而所述连接杆的固定轴线与所述输入轴固定在预定距离处。

7.根据权利要求4所述的振动补偿装置，其特征在于，所述变速器包括行星机构，所述行星机构包括固定到所述振动补偿装置主体上的静止太阳轮、托架和固定到所述托架上的至少一个卫星，所述托架是曲柄。

8.一种用于轮式步进推进装置的振动补偿装置，其特征在于，包括对称地固定在输出轴上的多个支撑件，其中可横向运动地被固定，所述振动补偿装置包括：

行星齿轮，所述行星齿轮包括固定在所述振动补偿装置主体上的与输入轴同轴的静止太阳轮、与相同尺寸的静止太阳轮啮合的卫星，所述卫星固定在作为托架的曲柄上，

安装在卫星上的齿轮箱，而所述齿轮箱的输出连接到所述输出轴上，

控制杆，所述控制杆的一端与所述齿轮箱相互作用，另一端由相对于所述振动补偿装置主体静止的轴线所限制。

9.根据权利要求8所述的振动补偿装置，其特征在于，所述控制杆的第二端自由地固定在输入轴的轴线上，同时所述控制杆由可变长度制成。

10.根据权利要求8所述的振动补偿装置，其特征在于，所述齿轮箱由行星齿轮箱的形式制成，所述控制杆的端部与其托架固定，一个中心齿轮与行星齿轮卫星固定，第二个中心齿轮与所述输出轴连接。

11.根据权利要求8所述的振动补偿装置，其特征在于，当支撑件的数量等于3时，行星齿轮箱的中心齿轮比值为3：2。

12.根据权利要求8所述的振动补偿装置，其特征在于，所述齿轮箱包括：

与所述卫星同轴定位并连接到所述输出轴的从动齿轮，

主动周转齿轮，所述主动周转齿轮与所述从动齿轮啮合，主动周转齿轮的中心相对于从动齿轮的中心偏移，控制杆的端部与所述主动周转齿轮相互作用，所述主动周转齿轮的轴线偏心地固定在所述卫星上。

13.根据权利要求12所述的振动补偿装置，其特征在于，当支撑件数量等于3时，主动周转齿轮与从动齿轮的比值为5：3。

14.根据权利要求8所述的振动补偿装置，其特征在于，所述齿轮箱包括：

与卫星同轴定位并连接到输出轴的从动齿轮，

主动齿轮，所述主动齿轮位于相对于从动齿轮的平行平面内，所述主动齿轮的中心相对于从动齿轮的中心偏移，而所述控制杆的端部固定在所述主动齿轮上，并且所述主动齿轮的轴线偏心固定在所述卫星上，

至少一个空转齿轮，所述至少一个空转齿轮同时与所述从动齿轮和所述主动齿轮啮合，所述空转齿轮轴线固定到所述卫星上。

15.根据权利要求14所述的振动补偿装置，其特征在于，当支撑件的数量等于3时，所述主动齿轮与所述从动齿轮的比值为5：3。

16.根据权利要求8所述的振动补偿装置，其特征在于，所述行星机构由椭圆形状的固定太阳齿轮和与相同尺寸和相同椭圆形状的固定太阳轮啮合的卫星组成，而所述两个齿轮由两个固定长度的连接杆连接，固定在这些齿轮上是偏心的，所述连接杆中的一个既是曲柄又是托架，第二个连接杆是控制杆。

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