CN113700797A - 一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器 - Google Patents

一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，包括平动机构、转化机构、环形导轨、飞轮组、电动机和发电机。所述平动机构包括平动块、平动柱和平动槽，所述平动块上固连有两个圆柱体的平动柱。所述转化机构包括转化机构A和转化机构B，为螺旋状开槽体。所述环形导轨内槽一侧为螺旋齿条，边沿为倒斜角形状。所述飞轮组包括飞轮、飞轮移动齿轮和固定销，所述飞轮移动齿轮通过飞轮开孔与电动机固连，所述固定销配合环形导轨边沿可以防止飞轮脱离。所述发电机输入轴为转化机构B旋转轴。本发明能够利用飞轮实现惯容效果，也可以通过飞轮沿环形导轨齿条的移动实现惯质系数无级可调，同时发电机实现了振动能量的回收。

Description

一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器
技术领域
本发明涉及车辆悬架技术领域，特别涉及一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器。
背景技术
悬架是汽车的车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
剑桥大学学者SMITH于2002年提出了惯容器的思想，实现了机械网络与电子网络之间严格的对应，促进了机械网络的发展，并设计出齿轮齿条式惯容器与滚珠丝杠式惯容器。机械与电子网络严格对应后，大量的电子网络理论和研究方法便可以应用于机械系统，包括汽车悬架系统、车辆转向系统、火车悬架系统、建筑隔振系统、直升机隔振系统、动力吸振装置等，并且发展出了齿轮齿条式惯容器，滚珠丝杠惯容器，液力发生式惯容器，杠杠质量惯容器，扭转惯容器，少齿差行星齿轮扭转惯容器，摆线钢球扭转惯容器等多种形式。惯容器可以使得车辆悬架在低频振动下具有更好的隔振效果。但是，目前的惯容器装置由于结构问题普遍存在惯质系数不可调或者有级可调的短板，使得惯容器无法在多种行驶工况下适应道路情况。
如中国专利申请号201911189328.1中，提出了一种惯质系数多级可调的惯容装置，通过带动质量和半径不同的两个飞轮来改变惯质系数，但只实现了惯质系数二级可调，无法适应车辆时刻变化的运动工况。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，通过改变飞轮旋转方式(飞轮不再绕质心轴旋转)和飞轮到旋转轴的距离L，实现惯容器惯质系数无级可调的目的。同时，将发电机与转化机构的旋转轴固连，可以实现悬架振动能量的回收。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器装置，包括：
壳体(3)，所述壳体(3)中设置有相互滑动配合的平动块(2)和平动槽(13)；所述平动块(2)或平动槽(13)上设置有平动柱A(4)、平动柱B(9)、电动机(8)，所述电动机(8)与飞轮组(7)连接；
相互配合的环形导轨(6)和转化机构A(15)，环形导轨(6)和转化机构A(15)绕旋转轴A(5)旋转；
转化机构B(10)，所述转化机构B(10)绕旋转轴B(100)旋转；
平动柱A(4)与转化机构A(15)螺旋槽配合；平动柱B(9)与转化机构B(10)螺旋槽配合。
进一步地，所述飞轮组(7)包括飞轮(70)、飞轮移动齿轮(71)；其中，
电动机(8)与飞轮(70)固定连接；
飞轮移动齿轮(71)齿端与环形导轨(6)内槽环形齿条啮合，并在电动机(8)输出轴的带动下旋转。
进一步地，所述飞轮组(7)还包括固定销(72)，所述固定销(72)卡设在环形导轨(6)内槽中。
进一步地，所述环形导轨(6)内外沿均为倒斜角形状。
进一步地，所述转化机构A(15)与转化机构B(10)螺旋线方向相反，但曲率、半径相同。
进一步地，所述环形导轨(6)下端面与转化机构A(15)上端面固定连接，且环形导轨(6)和转化机构A(15)的螺旋形状相同。
进一步地，还包括发电机(11)，所述发电机(11)输入轴与转化机构B(10)的旋转轴B(100)连接。
进一步地，所述惯容器还包括位置传感器(14)，所述位置传感器(14)与ECU信号连接，电动机(8)也与ECU信号连接；
其中，位置传感器(14)负责检测飞轮(70)的实时位置，然后将信号发送给ECU，电动机(8)负责接收ECU信号。
进一步地，平动块(2)与平动槽(13)契合。
进一步地，所述平动块(2)穿出壳体(3)的一端与下吊耳(1)固定连接，所述平动槽(13)穿出壳体(3)的另一端与上吊耳(12)固定连接。
进一步地，所述平动块(2)穿出壳体(3)的一端与上吊耳(12)固定连接，所述平动槽(13)穿出壳体(3)的另一端与下吊耳(1)固定连接。
本发明的有益效果在于：
1.本发明利用螺旋线的自身特性将车身和车轮之间的压缩和拉伸运动(平动块的直线运动)转化为转化机构的旋转运动，采用飞轮实现惯容效果，避免了传统惯容器(如齿轮齿条副和滚珠丝杠副等)的复杂转化机构，转化效率高，并且拓宽了惯容器的实现方式。
2.飞轮移动齿轮齿端与环形导轨内槽的环形齿条相互啮合，在电机的带动转动下，可以使与其配合的飞轮沿环形导轨移动，飞轮到旋转轴的距离发生改变，根据平行轴定理，飞轮转动惯量改变，惯质系数发生改变。
3.发电机输入轴与转化机构B旋转轴连接，可以产生电能并存储起来，实现悬架振动能量的回收。
4.转化机构A和转化机构B的旋转方向相反，在较高的激振频率下，其离心力相互抵消，可以减小平动块的冲击力和磨损。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为所述一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器装置图。
图2为所述平动块和平动槽配合结构示意图。
图3为所述飞轮组结构示意图。
图4为环形导轨结构示意图。
图5为转化机构A结构示意图。
图6为转化机构B结构示意图
图中：
1-下吊耳；2-平动块；3-壳体；4-平动柱A；5-旋转轴A；6-环形导轨；7-飞轮组；70-飞轮；71-飞轮移动齿轮；72-固定销；8-电动机；9-平动柱B；10-转化机构B；100-旋转轴B；11-发电机；12-上吊耳；13-平动槽；14-位置传感器；15-转化机构A。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步地说明，但本发明的保护范围不限于此。
如图1所示，一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，包括：下吊耳(1)、平动块(2)、壳体(3)、平动柱A(4)、平动柱B(9)、旋转轴A(5)、旋转轴B(100)、环形导轨(6)、飞轮组(7)、电动机(8)、转化机构A(15)、转化机构B(10)、发电机(11)、上吊耳(12)、平动槽(13)、位置传感器(14)。飞轮组包括飞轮(70)、飞轮移动齿轮(71)和固定销(72)。
进一步地，平动块(2)穿出壳体(3)的一端与下吊耳(1)固定连接。平动槽(13)穿出壳体(3)的一端与上吊耳(12)固定连接。下吊耳(1)与车轮固连，上吊耳(12)与车身固连。可选地，也可以下吊耳(1)与车身固连，上吊耳(12)与车轮固连。
平动柱A(4)和平动柱B(9)固连平动块(2)上端面。平动柱A(4)将平动块(2)的直线运动转化为转化机构A(15)的旋转运动，同样，平动柱B(9)将平动块(2)的直线运动转化为转化机构B(10)的旋转运动。平动柱A和平动柱B分别与转化机构A和转化机构B螺旋槽配合。且平动柱A和平动柱B长度等于或小于转化机构(A或B)螺旋开槽深度。
进一步地，环形导轨(6)下端面与转化机构A(15)上端面固定连接，且环形导轨(6)和转化机构A(15)的螺旋部分相同。
进一步地，转化机构A(15)与转化机构B(10)螺旋线方向相反，但曲率、半径等相同。转化机构A(15)转动中心为旋转轴A(5)，转化机构B(10)转动中心为旋转轴B(100)。
进一步地，电动机(8)输出轴与飞轮移动齿轮(71)上端轴连接，发电机(11)输入轴与转化机构B的旋转轴B(100)连接。
进一步地，平动块(2)在平动槽(13)内滑动，如图2所示，由于平动块(2)与平动槽(13)契合，平动块(2)直线运动时与平动槽(13)紧密配合，不会脱离平动槽(13)。
进一步地，飞轮移动齿轮(71)齿端与环形导轨(6)内槽环形齿条啮合，并在电动机(8)输出轴的带动下旋转，使得飞轮沿环形导轨(6)移动，从而改变飞轮到旋转轴(5)的转动半径L。
进一步地，环形导轨(6)内外沿均为倒斜角形状，如图4所示。固定销(72)可以与其外沿配合移动，避免飞轮(70)绕旋转轴A(5)转动过程脱离环形导轨(6)飞出。
进一步地，电动机(8)与飞轮(70)固定连接，发电机(11)与旋转轴B和转化机构B固定连接。
进一步地，位置传感器(14)与ECU(图中未画出)信号连接，位置传感器(14)负责检测飞轮的实时位置，然后将信号发送给ECU。
进一步地，电动机(8)与ECU(图中未画出)信号连接。
飞轮转动惯量大小与三个因素有关：总质量、质量分布和转轴的位置，因此改变其转动惯量的方式也有多种。常见的惯容器改变飞轮转动惯量方式为改变飞轮总质量大小或质量分布，这里我们采用让飞轮绕质心轴外的旋转轴转动，通过改变转动半径来改变飞轮转动惯量大小。
如图1所示，在工作过程中，飞轮会做复合运动，包括飞轮随着环形导轨绕旋转轴A的转动及飞轮沿环形导轨螺旋槽的移动。其中，飞轮的转动与上下吊耳的相对运动有关，而飞轮的移动只与ECU根据飞轮当前位置处理得到的响应信号有关。两种运动相互独立。飞轮与飞轮移动齿轮是间隙配合，当飞轮沿环形导轨螺旋槽平动过程中，飞轮只产生平动运动，而并不会绕自身质心轴旋转。
根据平行轴定理，可知飞轮绕旋转轴A转动惯量与飞轮质量、飞轮半径、飞轮组与电机总质量和飞轮转动半径有关，
JF′＝JF+ML2 (1)
JF＝mr2 (2)
JF′为飞轮绕旋转轴A的转动惯量，JF为飞轮自身固有的转动惯量，M为飞轮组和飞轮固连电机的质量和(常数)，L为飞轮转动半径(飞轮中心轴到旋转轴A的距离)，m为飞轮质量，r为飞轮半径。根据公式(1)和(2)，可知飞轮绕旋转轴A的转动惯量JF′与飞轮转动半径L成正比关系。
转化机构A、B和环形导轨的螺旋线曲率、半径等都相同(转化机构A和转化机构B螺旋方向相反)，旋转中心并不是最小半圆的圆心，且螺旋半径愈来愈大，所以飞轮在环形导轨任一点时，其距离旋转轴的转动半径皆不同，且飞轮越远离旋转中心(旋转轴A)，飞轮转动半径L越大。
ECU可以结合车辆基本参数(簧上质量、簧下质量、轮胎刚度和阻尼器阻尼系数等)、车辆运行信息和飞轮在环形导轨中的位置信号(飞轮的转动半径)，得到适合当前工况惯容装置的理想飞轮转动半径，将实时控制信号发给电动机，电动机接收ECU信号，带动飞轮移动齿轮旋转，使之在环形导轨内槽与螺旋齿条啮合，从而飞轮沿环形导轨移动，改变自身位置和到旋转轴的转动半径L，从而JF′可以根据车辆基本参数、车辆运行信息和飞轮位置实时发生变化，实现惯质系数无级可调。
下面详细说明本发明的工作过程。
当车辆行驶遇到凹坑时，车轮远离车身，下吊耳(2)与上吊耳(12)产生相对拉伸运动，与下吊耳固连的平动块(2)沿平动槽(13)向左移动，通过平动柱A(4)和平动柱B(9)带动转化机构A(15)和转化机构B(10)旋转(转化机构A顺时针旋转，转化机构B逆时针旋转)。转化机构A带动与之固连的环形导轨(6)绕旋转轴A(5)顺时针旋转，而飞轮移动齿轮(71)的啮合作用和固定销(72)的锁止作用使飞轮(70)随着环形导轨(6)一起绕旋转轴A旋转，装置实现惯容效果。此时，位置传感器(14)检测飞轮在环形导轨中的位置和飞轮的转动半径，将信号传送给ECU(图中未画出)，ECU结合车辆基本参数(簧上质量、簧下质量、轮胎刚度和阻尼器阻尼系数等)和车辆运行信息，得到适合当前工况惯容装置的理想飞轮转动半径L′，通过信号连接控制电动机(8)驱动飞轮移动齿轮(71)转动，飞轮移动齿轮与环形导轨(6)内槽螺旋齿条啮合，从而驱动飞轮沿环形导轨(6)移动到理想转动半径L′位置，根据上述公式(1)和公式(2)，飞轮绕旋转轴的转动惯量JF′改变，从而惯质系数实现无级调节。
同时，转化机构B的旋转轴B(100)逆时针转动，驱动与之固连的发电机(11)发电，实现将悬架的振动能量转化为转化机构的旋转能量，进而转化为电能的过程，实现了馈能效果。
当车辆行驶遇到障碍物时，与上述情况工作原理相同。当车辆行驶遇到障碍物，车轮靠近车身，下吊耳(2)与上吊耳(12)产生相对压缩运动，与下吊耳固连的平动块(2)沿平动槽(13)向右移动，通过平动柱4和平动柱9带动转化机构A(15)和转化机构B(10)旋转(转化机构A逆时针旋转，转化机构B顺时针旋转)。转化机构A带动与之固连的环形导轨(6)绕旋转轴A(5)逆时针旋转，而飞轮移动齿轮(71)的啮合作用和固定销(72)的锁止作用使飞轮(70)随着环形导轨(6)一起绕旋转轴A(5)旋转，装置实现惯容效果。此时，位置传感器(14)检测此时飞轮在环形导轨中的位置和飞轮的转动半径，将信号传送给ECU(图中未画出)，ECU结合车辆基本参数(簧上质量、簧下质量、轮胎刚度和阻尼器阻尼系数等)和车辆运行信息，得到适合当前工况惯容装置的理想飞轮转动半径L″，通过信号连接控制电动机(8)驱动飞轮移动齿轮(71)转动，飞轮移动齿轮与环形导轨(6)内槽螺旋齿条啮合，从而驱动飞轮沿环形导轨移动到理想转动半径L″位置，飞轮绕旋转轴的转动惯量JF′改变，从而惯质系数实现无级调节。
同时，转化机构B旋转轴(100)顺时针转动，驱动与之连接的发电机(11)发电。
所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于此实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员进行的修改、变形和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器装置，其特征在于，包括：
壳体(3)，所述壳体(3)中设置有相互滑动配合的平动块(2)和平动槽(13)；所述平动块(2)或平动槽(13)上设置有平动柱A(4)、平动柱B(9)；
相互配合的环形导轨(6)和转化机构A(15)，环形导轨(6)和转化机构A(15)绕旋转轴A(5)旋转；
转化机构B(10)，所述转化机构B(10)绕旋转轴B(100)旋转；
平动柱A(4)与转化机构A(15)螺旋槽配合；平动柱B(9)与转化机构B(10)螺旋槽配合。
2.根据权利要求1所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，还包括飞轮组(7)，所述飞轮组(7)包括飞轮(70)、飞轮移动齿轮(71)；其中，
电动机(8)与飞轮(70)固定连接；
飞轮移动齿轮(71)齿端与环形导轨(6)内槽环形齿条啮合，并在电动机(8)输出轴的带动下旋转。
3.根据权利要求2所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，所述飞轮组(7)还包括固定销(72)，所述固定销(72)卡设在环形导轨(6)外沿上。
4.根据权利要求3所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，所述环形导轨(6)内外沿均为倒斜角形状。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，所述转化机构A(15)与转化机构B(10)螺旋线方向相反，但曲率、半径相同。
6.根据权利要求5所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，所述环形导轨(6)下端面与转化机构A(15)上端面固定连接，且环形导轨(6)和转化机构A(15)的螺旋形状相同。
7.根据权利要求1-4或6任一项所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，还包括发电机(11)，所述发电机(11)输入轴与转化机构B(10)的旋转轴B(100)连接。
8.根据权利要求1-4或6任一项所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，所述惯容器还包括位置传感器(14)，所述位置传感器(14)与ECU信号连接，电动机(8)也与ECU信号连接；
其中，位置传感器(14)负责检测飞轮(70)的实时位置，然后将信号发送给ECU，电动机(8)负责接收ECU信号。
9.根据权利要求1-4或6任一项所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，平动块(2)与平动槽(13)契合。
10.根据权利要求1-4或6任一项所述的一种惯质系数无级可调的旋转式惯容器，其特征在于，所述平动块(2)穿出壳体(3)的一端与下吊耳(1)固定连接，所述平动槽(13)穿出壳体(3)的另一端与上吊耳(12)固定连接；
所述平动块(2)穿出壳体(3)的一端与上吊耳(12)固定连接，所述平动槽(13)穿出壳体(3)的另一端与下吊耳(1)固定连接。
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