CN201408074Y - 一种电动扭转激振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电动扭转激振器，涉及到机械产品中的激振技术领域。该激振器包括有如下组成部分：轴系统频率测量结构，扭转激振器，扭转信号加载模块，以及信号处理模块等。利用本实用新型，可以在很宽的频率范围内发挥激振效果，比如，其作用频率可以达到1000～2000Hz，而且输出扭矩大、低阻尼性，性能可靠、结构紧凑。

Description

一种电动扭转激振器

技术领域

本实用新型涉及到机械产品中的激振技术领域。

背景技术

旋转机械轴系统在运行过程中，由于扭矩载荷的波动会发生扭振现象，诸如汽车和船舶内燃机，螺旋桨驱动系统，旋转泵，等等。当这样的动态载荷中某个频率成分与轴系统结构固有扭转频率趋于一致时，轴系统可能会产生剧烈的扭转共振，这极易导致零部件的损坏和失效，同时还会向外界辐射令人难以容忍的振动和噪声。因此在轴系统产品设计开发、产品改进或者故障诊断的过程中，经常需要通过模态分析技术测量其固有扭转频率，扭转激振器既是该测试系统的组成设备之一。

除了运用于旋转机械的模态分析，扭转激振器还可以对于轴系统实施各种扭振试验，比如产品耐久性试验，产品扭振响应试验等等。

本实用新型所述的装置作为电动扭转激振器，与相应的振动试验控制模块配合使用以测试分析机械轴系的扭转固有频率，或者对其实施扭振试验。该技术领域的另一类产品是液压扭转激振器，它虽然可以有很大的输出扭矩，但受制于液体的特性，其工作频率上限仅有100～150Hz。

相比较而言，电动扭转激振器的作用频率至少可以达到1000～2000Hz，因此只要能够有效地提高输出扭矩，电动扭转激振器就有更广阔的应用空间。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电动扭转激振器及其实现方法，运用于旋转机械的模态分析，对于轴系统实施各种扭振试验，比如产品耐久性试验，产品扭振响应试验，等等。

一种电动扭转激振器，它包括有如下组成部分：

轴系统频率测量结构，它是用以测量配套的轴系统的振动频率的功能结构，包括有扭振传感器；

扭转激振器，它是用以产生激振的功能部件，包括有固定模块，它刚性固定在轴系统上，以及与固定模块配套设置的相对转动模块，它通过弹簧弹性固定在轴系统上，以及导电线圈，它设置在固定模块和相对转动模块两者其一上，以及磁场发生器件，它设置在那个没有设置前述导电线圈的固定模块或相对转动模块上，用以产生能够穿过导线线圈的磁场；

扭转信号加载模块，它是用以向前述的扭转激振器加载控制电信号的功能结构；

信号处理模块，它是通过对测量的各电信号频率所对应的振幅数值进行分析，然后选其振幅峰值状况下的扭转电信号加载频率，从而得出对应着轴系统的固有频率的模块结构。

本实用新型所述的电动扭转激振器还包括有如下技术要点：

所述的轴系统频率测量结构中，还包括有扭矩传感器。

在轴系统上设置有电刷，用以向所述的导电线圈通电。

所述的固定模块是通过两端分叉延伸的X型固定结构实现的，两相邻分叉之间设置有弧形的导电线圈架构，同时相对的另两个分叉之间设置有另一段弧形导电线圈架构。

在所述导电线圈的两侧至少其一处，设置有磁场发生器件。

在X型固定结构中，没有设置导电线圈的相邻分叉，共包括两处位置，在这两处位置至少其一处，设置有用以限定相对转动模块转动范围的固定块。

相对转动模块上通过沿转轴系统对称的两个弹簧，固定在轴系统上。

针对前述的导电线圈，所设置在磁场发生器件，能够产生互斥磁场或者互吸磁场。

所述电动扭转激振器的优点：

1，可以在很宽的频率范围内发挥激振效果。

2，在设计原理上仅提供纯扭矩，不会对轴系统产生不可忽略的附加径向力或轴向力。

3，输出扭矩大。输出扭矩的大小取决于磁场对于通电线圈的圆周向安培力的大小以及圆周力到心轴轴线的距离；而安培力又正比于磁场感应强度、磁场内与磁场方向垂直的通电线圈长度和电流强度。在所述的装置中，激振器圆形的直径越大，则力矩的力臂也越大(适用于所述的第一种磁场方向布置方案)，同时磁块和套圈的弧线也可以越长，因而环绕的线圈在磁场中的长度就越长；另外，激振器圆形在旋转轴系统的轴线方向上越厚，则磁块、中圈和套圈也可以相应地增厚，则线圈在磁场中的长度就越长，并且还可以通过多层线圈以成倍增加其长度；最后，适合的铜导线截面尺寸可以提供数安培的电流而不至于过热。这些特点使得我们可以在很大的范围内灵活设计激振器的输出扭矩，非常有利于从小型轴系统到大型轴系统的主动控制型激振或扭振试验需求。

4，低阻尼性。金属弹簧具有较低的阻尼特性，这样可以尽量发挥该激振器的输出扭矩峰值。

5，稀土永磁材料容易获得、成本低。

6，性能可靠，对于环境要求低，耐油耐脏，工作温度可以接近摄氏100°。

7，结构紧凑，可以与激振对象原有的飞轮结合安装，也可以独立安装。

8，电动扭转激振器的使用范围极其宽广，其作用频率至少可以达到1000～2000Hz，只要能够有效地提高输出扭矩，电动扭转激振器就有更广阔的应用空间。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进行更详细的说明。

图1是本实用新型所述的电动扭转激振器的结构示意图。

图2是本实用新型所述的电动扭转激振器的侧向剖视图。

图3是本实用新型所述的电动扭转激振器上的导电线圈的结构示意图。

图4是本实用新型所述的电动扭转激振器的实现方法的流程图。

具体实施方式

结合各附图所示，本实用新型所述的电动扭转激振器，主要由相对转动模块I和固定模块II组成。

它们之间通过一对弹簧14连接，可以作相对弹性转动。本实施中的弹簧14为环形螺旋弹簧，这是典型的实施例而非限定。

作为举例，其中的相对转动模块I包括心圈0，内圈1，中圈2，外圈3，以及环形的磁块4、5、6、7，该磁块优选为钕铁硼材质，当然，也非限定。心圈0、内圈1、中圈2和外圈3通过相隔180°圆心角的一对辐条梁8固定在一起。

其中环形的钕铁硼磁块4、5、6、7，属于永磁体，为本实用新型中的磁场发生器为一种实施例，其它还包括通过电磁效应实现的磁场，如利用导电线圈产生磁场，等等。

在辐条梁8之间，磁块4和5用粘合剂或其它适当的方式固定在内圈1的外侧，并呈对称布置状态。类似地，磁块6和7用粘合剂或其它适当的方式固定在外圈3的内侧，也在辐条梁8之间呈对称状，这样磁块4与6、磁块5与7分别隔着中圈2相对布置，而磁块的磁场方向沿着圆形的径向。

上述结构中，在所述导电线圈11和12的两侧均布置磁场发生器，此外，还可以单独在内侧或外侧布置磁场发生器。

固定模块II包括一对环形套圈9和10，缠绕并固定在套圈上的导电线圈11和12，以及X型固定支架13。套圈9和10分别套在中圈2上，在辐条梁8之间对称布置，套圈的内侧与中圈2完全不接触，因此可以相对于中圈2自由移动，这就是所述电动扭转激振器的相对转动模块I可以相对固定模块II转动的原因所在。

导电线圈11紧紧环绕并用粘合剂固定在套圈9上，导电线圈12紧紧环绕并用粘合剂固定在套圈10上。这样的构造使得每一组铜线圈的两侧均处于所述磁块与中圈2之间所形成的环形径向磁场气隙中，并且铜线圈的走向，也即电流的方向，与磁场方向是垂直的。所述套圈需采用铜、铝或塑料等非磁性材料。

为了让套圈10套在中圈2上，中圈2可以在辐条梁8处断开，先将套圈10套在中圈2的外面，然后把中圈2用螺栓固定在辐条梁8上。

除了上述构件以外，所述激振器其它部分还包括：固定块15，心轴16，滚动轴承17，电刷18，弹簧座19和弹簧座20。

X型固定支架13中，没有设置导电线圈12的相邻分叉之间，共包括两处位置，在这两处位置至少其一处，设置有用以限定相对转动模块I转动范围的固定块15。

固定块15固定在中圈2上靠近辐条梁8的位置，其作用是限制套圈的运动，防止过载情况下套圈冲击辐条梁8。

心轴16实际上就是需要激振的旋转机械轴系统的一部分，滚动轴承17将心圈0支撑在心轴16上，使得心圈0及其所在的上述相对转动模块I可以相对于轴系统转动。

电刷18固定在轴16上，保证在整个系统高速旋转的情况下给导电线圈11和12提供变化的交流电。

上述固定模块II，即套圈9和10，包括上面的线圈11和12，通过X型固定支架13固定在心轴16上，随轴系统一起旋转。

前述的一对弹簧14对称布置在外圈的外侧，每一个螺旋弹簧的一端通过弹簧座19固定在外圈上，另一端通过弹簧座20固定在与心轴刚性联接在一起的轴系统上，可以通过延伸的结构直接固定在心轴上。

这样，上述相对转动模块I可以借助滚动轴承17，在弹簧14的作用下，相对于上述固定模块II以及所作用的旋转轴系统，围绕其稳态位置来回摆动。

进一步阐述所述扭振激振器的其它结构要点：

作为举例而非限定，上述磁块与中圈2所形成的气隙磁场方向为圆形的径向，在所述中圈2两侧相对布置的磁场发生器中，磁场方向之间的关系可以有两种选择方案：

第一种是两侧相对布置的磁块的磁场方向相反相斥，第二种是两者相同相吸。下面分别给予介绍：

首先说明第一种方案。此时磁块4与6隔着中圈2的磁场方向是相对互斥的(相反)，同样另一组隔着中圈2的磁块5与7的磁场方向也是相对互斥的(相反)；为增强中圈2与两侧磁块之间气隙的磁感应强度，磁块采用高性能的稀土永磁钕铁硼磁铁，中圈2采用高磁导率的软磁材料，中圈2与磁块之间的间隙在保持套圈内侧与中圈2、套圈外侧与磁块之间不接触的前提下尽可能地小；当套在中圈2外的套圈上的铜线圈通电时，在中圈2两侧磁场中的铜线圈内的电流方向是相反的，而两侧磁场的方向也是相反的，也就是说，导电线圈11或12在磁块4磁场中的导线电流与在磁块6磁场中的导线电流是反向的，而磁块4的磁场方向与磁块6的磁场方向也是相反的。这样根据描述磁感应强度、电流及安培力之间关系的安培定律，两侧磁场给予导电线圈的作用力恰好是沿着圆周方向并同向，作用力的幅值与电流强度成正比，方向随电流的方向变化而变化。

由于两组导电线圈11与12在圆周方向上完全对称布置，因此通过所述两组铜线圈端线之间的联接来控制电流的走向，使得磁场中两组导电线圈11和12产生的圆周力恰好大小相等、方向相反，且同为顺时针或同为逆时针，这样就形成了一个磁场力纯扭矩，它的数值应该等于一组线圈在两侧磁场中产生圆周力之和乘以中圈2中线的直径。

在上述磁场纯扭矩的作用下，上述相对转动模块I将相对于上述固定模块II及轴系统发生转动，这导致所述弹簧变形引起弹簧力。由于所述一对弹簧在圆周方向上对称布置，因此所述一对弹簧产生的力为大小相等、方向相反，且同为顺时针或同为逆时针，这样也形成了一个弹簧力纯扭矩。

现在简要说明第二种方案。此时磁块4与6隔着中圈2的磁场方向是相同相吸的，同样另一组隔着中圈2的磁块5与7的磁场方向也是相同相吸的，但由于线圈在磁块4(磁块5)磁场中的导线电流与磁块6(磁块7)磁场中的导线电流是反向的，所以，所述导电线圈在两侧磁场中产生的圆周力是反向的，这样每一组线圈产生的扭矩应该等于线圈一侧的圆周力乘以两侧线圈之间的宽度，而总的磁场力纯扭矩就是两组线圈产生的扭矩之和。

本实用新型所描述的电动扭转激振器，结合前面的描述及图4所示，其实现方法包括有如下步骤：

步骤1，相对转动模块和轴系统固定在一起，固定模块通过刚性支架或弹性支架固定在支撑体上。

前述的轴系统，就是这儿所述的支撑体。所述的刚性支架，指的是刚性固定的方式。所述的弹性支架，指的是利用弹性结构进行固定的结构，该弹性结构，特别是指弹簧，当然也非限定。

步骤2，通过扭转电信号加载模块，激励扭转激振器开始振动，从而带动轴系统振动，由扭振传感器测量轴系统的振动状况，产生测量数据信号。

扭转电信号加载模块产生各频段的振动频率电信号，比如，该振动频率可以取为800Hz。该电信号加载到导电线圈11或12上之后，利用电磁力的作用，能够使得相对转动模块开始运动，且该运动是以来回摆动的振动方式实现的。

扭转激振器带动轴系统开始振动，该振动情况可通过扭振传感器进行探测，获得相应的测量信号。

在轴系统频率测量结构中，还可以设置扭矩传感器，通过对扭矩的测量，来更好地实现对轴系统的模态分析操作。

步骤3，由前述的扭转电信号加载模块，向信号处理模块发送所加载的电信号数据，同步由扭振传感器将轴系统的频率测量信号传输到信号处理模块中，再由信号处理模块来计算各扭转电信号数据频率所对应的轴系统的振幅状况。

扭转电信号加载模块所加载的振动频率以及振幅(可依据所加载的电压与电流强度等数据来表征)，还需要向具有信号运算处理功能的信号处理模块来传输，信号处理模块依靠该数据，就可以方便地计算各扭转电信号数据频率，所对应的轴系统振幅状况。

这期间，所加载数据的振幅适合是一致的；当然也不限定。

步骤4，对测量的各电信号频率所对应的振幅数值进行分析，然后选其振幅峰值状况下的扭转电信号加载频率，从而得出对应着轴系统的固有频率。

利用扭振传感器来测量轴系统的振幅状况，假如出现的A、B、C三处峰值，那么，这A、B、C三处峰值情况下所对应的扭转电信号加载模块的施加频率，就对应着轴系统的固有频率，计算起来非常方便、快捷。

利用本实用新型所述的扭转激振器，除了能够用以测量轴系统的固有频率外，还可以对轴系统施加扭矩载荷，对其进行耐久试验，或者各种激励响应试验。

在耐久试验方面，作为举例，可以检验轴系统长时间承受动载荷扭矩的能力。比如：将变速器一端固定，另一端与本实用新型所述激振器联接，由激振器模拟变速器实际运行工况对其施加扭矩载荷。

在激励响应试验方面，作为举例，可以检验轴系统对于各种载荷激励的反应状况，考察其有无异常情况，或是否满足要求。例如：对于离合器系统按上述方式与所述激振器联接，模拟离合器的各种冲击状况，由激振器对其加载，以考察其响应特性。

以上是对本实用新型的描述，而非限制，基于本实用新型思想的其它实施方案，亦在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1，一种电动扭转激振器，其特征在于该激振器包括有如下组成部分：

轴系统频率测量结构，它是用以测量配套的轴系统的振动频率的功能结构，包括有扭振传感器；

扭转激振器，它是用以产生激振的功能部件，包括有固定模块，它刚性固定在轴系统上，以及与固定模块配套设置的相对转动模块，它通过弹簧弹性固定在轴系统上，以及导电线圈，它设置在固定模块和相对转动模块两者其一上，以及磁场发生器件，它设置在那个没有设置前述导电线圈的固定模块或相对转动模块上，用以产生能够穿过导线线圈的磁场；

扭转信号加载模块，它是用以向前述的扭转激振器加载控制电信号的功能结构；

信号处理模块，它是通过对测量的各电信号频率所对应的振幅数值进行分析，然后选其振幅峰值状况下的扭转电信号加载频率，从而得出对应着轴系统的固有频率的模块结构。

2，根据权利要求1所述的电动扭转激振器，其特征在于：所述的轴系统频率测量结构中，还包括有扭矩传感器。

3，根据权利要求1所述的电动扭转激振器，其特征在于：在轴系统上设置有电刷，用以向所述的导电线圈通电。

4，根据权利要求1所述的电动扭转激振器，其特征在于：所述的固定模块是通过两端分叉延伸的X型固定结构实现的，两相邻分叉之间设置有弧形的导电线圈架构，同时相对的另两个分叉之间设置有另一段弧形导电线圈架构。

5，根据权利要求1或4所述的电动扭转激振器，其特征在于：在所述导电线圈的两侧至少其一处，设置有磁场发生器件。

6，根据权利要求4所述的电动扭转激振器，其特征在于：在X型固定结构中，没有设置导电线圈的相邻分叉，共包括两处位置，在这两处位置至少其一处，设置有用以限定相对转动模块转动范围的固定块。

7，根据权利要求1所述的电动扭转激振器，其特征在于：相对转动模块上通过沿转轴系统对称的两个弹簧，固定在轴系统上。

8，根据权利要求1所述的电动扭转激振器，其特征在于：针对前述的导电线圈，所设置在磁场发生器件，能够产生互斥磁场或者互吸磁场。

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