TWI321619B - - Google Patents

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1321619 九v發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於-種慣質機構，更詳而言之，係有關 於一種利用液壓式慣質機構。 【先前技術】 近年來機電系統整合已成為21世紀工程領域發展的 重要趨勢之一。然而在傳統的工程應用上，機械網路與電 J電路的對應方式有兩種:⑴第一種為力與電流對應， •:兩網路間的元件對應為：質量、阻尼、彈菁對應於電容、 電阻、電感；（2)第二種對應方式為力對應於電壓，其兩 ::路：的元件對應為：質量、阻尼、彈簧對應於電 阻、電容。 =電子元件之性質而言’電子電路中之所有元件， 二：正的兩端點兀件’·換言之，電阻、電感、電容之兩 2點並不受限於特定座標或特定參相，乃是當兩端 f相對錢差或電流差則可觸發運作。因而 ==子元件’則該電子元件需假定為一端質;二 以地面電壓為該電子元件之夹去 >考點，如此，則侷限了電子 •電路與機械網路對應之自由度。….u一子 A.TMurhy and H.H.Rlchards〇n, «introduct1〇n SystemDynaffllcs», Addison-Wesley, 1967, Page 111 . 於電子/機械對應之相_論可知，自6q年代以來機 工程領域欲使用電子震盪$1 械 楛★俺播从所旦晨盪电路預測機械震盪結構之運作 、式’惟傳hi元件舰了電子電路與機械網路之對應 ί10526 5 1321619 性’.因此設計一種可以取代質量之兩端點機械元件，是工 程界長久以來努力的目標。 有鑑於此，2003年劍橋大學於WIp〇公開文件w〇 03/005142 A1揭露出慣質（inerter)之概念：此慣質機 構與彈簧、阻尼同為—種兩端點元件，因此，以慣質機構 取代原機械網路系，统中傳、統質量元件，便彳得到一完整的 電子/機械網路對應關係，藉由此一完整對應關係，=可 利用。午夕電子系統中的觀念，使機械網路設計領域如：汽 車懸吊系統、機車轉向控制、火車懸吊系統及建築物隔震 系統等領域，有更多的發展與應用。 該慣質理論提出後，遂有採用齒輪組與齒條設計出一 齒輪式慣質機構以實現慣質理論。請參閱第i _，該齿輪 式慣質機構係包括：座體1〇、平移滑動設於該座體⑺上 f齒條11、與該齒條11喃合之齒輪組12、以及連接齒輪 組12之飛輪13。 當施予—合力不為零之外力（箭頭方向A或B)於言! 齒條11之—端時，利用該齒條11與該座體Π)之間產生 的相對㈣，使該齒條u帶動該齒輪組12之齒輪121、 ⑵轉動進而使该齒輪組12再帶動該飛輪η凝 俾將6㈣條11之直線運動藉由該絲組12轉換成竣 2動，並使該飛輪13旋轉，以將直線運動轉換成旋轉 運動，且該齒輪慣質機摄女 貝貝機構中具有兩端點，分別是該齒條 11與該座體10’利用力學方程式的推導，可以得到卜,, 其中F代表施力，a為兩端點相對位移之加速度，』 110526 6 為慣質係數，号r 0 W ^ 轉動慣量及飛二二數係透過齒輪纽之各齒輪的半徑、 知，只需利用齒輪與飛 田刀予方耘式可 式慣質機構。復依轉： 卩可设計出適當的齒輪 輪慣質機構則可改盖動:二於質量之對應關係’此-齒 電子電路與機械㈣件於機械網路中揭限了 然而雖然it輪式慣f機構於設 便利性，惟齒輪接 ::、材枓取仔皆有其 ㈣在h 存有厫重的背隙問題；所謂背隙 '、曰齒輪於裝配上無法使用緊配合，導致在 姓 兩齒輪之間無法互相接觸的情況，因 ”方向時’齒輪間的背隙將造成系統遲滯 本考r齒輪材質之剛性有其應= ' 间之力學系統使用齒輪式慣質機構，當該 齒輪式慣質機構承受極大外力負載時，則易使齒輪產= 牙之缺憾。 誠如上述揭示習知技術之背隙問題與負載限制，因此 如何提出-種低成本且得承受高負載之慣f機構，實為本 領域技術中亟待解決之課題。 【發明内容】 鑒於以上所述習知技術之不足，本發明之一目的在於 揭露-種液壓式慣質機才冓’可提高電子電路與機械網路之 對應性。 本發明之又一目的在於提供一種液壓式慣質機構，可 以低廉組裝成本’應用於高外力負載之系統。 110526 7 U21619 儀2運上揭之目的，本發明提供-種液m式慣質機構 # = ·㈣缸；㈣馬達，係連接該㈣缸，並具有一 以Λ該液麻之直線運動轉換成旋轉運動；以及 貝/·生體，係设於該輸出軸上〇 依上述構造’該㈣虹及錢馬達中復包括有工作流 體、中該液屋紅具有設於缸内之活塞及設於其上並外露 2活塞且該活塞將液敍分成兩容置空間，該兩容置 空間亦分別設有連接σ，而該液壓馬達具有輸人口及輸出 口 ’且該輸入口及輸出口分別以管體連接該液壓紅之連接 口’又該管體連接有壓力計，另該慣性體係為飛輪。 上述機構中’若有-合力不為零之外力於該活塞桿 上’使該活塞位移，進而使該液壓㈣之工作流體因擠壓 而經由連接管以引入該液壓馬達内，而因輸入口盥輸出口 流體壓力不同而產生壓力差，此壓力差即帶動該液壓馬達 旋轉，復經由輸出軸而帶動該慣性體轉動，以達到慣質之 特性。 、 β復因液壓缸技術如業界所周知已發展成熟，因此以液 壓系統取代齒輪機械，則可以低廉之成本提高慣質機構之 外力負載。 又由於向外力負載震盪系統常需配用具有高阻尼係 數之耗能物件，因此在此一條件下，本慣質機構之摩擦力 則可被忽略。換言之，本慣質機構於高外力負載、高阻尼 係數之力學震盪系統中，會有較為理想的慣質特性。 【實施方式] 110526 8 1321619 .以下凊配合圖式說明本發明之具體實施例，以使所屬 技術中具有通常知識者可輕易地瞭解本發明之技術特徵 與達成功效。 第一實施例 請參閱第2及3圖，本發明所提供之液壓式慣質機 構，係包括.液壓虹2 0，係具有設於紅内之活塞2 〇 1及 設於其上並外露之活塞桿202,且該活塞201將液壓缸20 分成兩容置空間203、203’’該兩容置空間203、203,分 別设有連接口 204;液壓馬達21，係具有一輸出軸21〇， 並具有輸入口 211及輸出口 212,且該輸入口 211及輸出 口 212分別以官體22、22’連接該液壓缸2〇之連接口 204;以及係為飛輪之慣性體23,係設於該輸出軸21〇上。 此外，該液壓缸20及液壓馬達21中復包括工作流 體，以及連接該管體22、22，之壓力計24，該壓力計％ 係用以量測該液壓缸20之工作流體輸入口與輸出口之壓 力。當於—合力不為零之外力作用於該慣質機構，使該活 塞2 01發生位移，致使該液懕▲ 文茨履壓缸20内之工作流體因擠壓 而於輸入口與輸出口產生懕六茬 至刀差之情況下，該管體22、 22則可導引該液壓缸2〇内

Qno I ^疋工作流體’乃將該容置空間 203中的工作流體導入該液 馬達21，並從該液壓馬達 内。 狀笙缸20之另一容置空間203, 負 值得一提的是，由於上述液壓缸 載以及成本低的優點，可同時作為 2〇具有承受大镇位 液流阻尼器，因此， 110526 9 1321619 δ亥液壓虹2 0同時包含慣質之特性及液壓阻尼器之特性。 又該液壓馬達21係為齒輪式轉子液壓馬達，其由一 組擺線齒輪所構成，該擺線齒輪具有固定於液壓馬達21 體之外齒輪21a及在該外齒輪中運轉之内齒輪2ib，且 該外齒輪21a及内齒輪21b之兩中心係為偏心，使該外凿 輪21a及内齒輪21b在運轉時能形成數個密閉腔 (chamber )。由於此種馬達内外齒輪呈滑動接觸，所以機 械摩擦力較一般正排量齒輪為低；此外，該液壓馬達具有 •較低之靜摩擦力，適於高轉速、低扭矩的應用。 请參照第3圖，施予一外力f於該活塞桿202之一 端’藉以推動該活塞201在該液壓缸20中直線移動，並 將該容置空間203中之工作流體經由管體22擠壓至該液 壓馬達21之輸入口 211，以於該液壓馬達21之輸入口 2ιι 形成高壓區，並由輸出口 212經由管體22,回流至液壓缸 20之另一容置空間203’，而在該液壓馬達21之輸出口 鲁212形成低壓區，使該液壓馬達21在輸入口 2ιι與輸出 口 212之間形成壓力差（由壓力計24上之數值可知此 壓力差即能驅動該液壓馬達21旋轉作功而帶動該輸出轴 .210’進而帶動該慣性體23轉動’以將直線運動轉換成旋 _轉運動，並將外力轉換成轉動飛輪的動力以達能量轉換之 目的。此外，若外力反向施力於該活塞桿2〇2之另—端， 則該活塞反向移動，使該液壓馬達21反向轉動，而 逆過程。 由下表之實驗數據可知， 該慣性體23原本的重量極 110526 10 1321619 小’ ·經過系統的能量轉換後’使該慣性體23在系統作動 中產生慣質之特性’該慣性體23之慣質係數遠大於該慣 性體23原本的重量，使得該液壓式慣質機構可承受極大 之外力負載。 飛輪重量（kg ) 慣質係數（kg) 0. 35 668 0. 26 281 0. 13 108 _ 此外’由於本發明慣質機構之慣質量係可經由調整慣 性體之轉動慣量而改變；又若欲調整慣性體轉動慣量，則 可藉由改變慣性體之質量m或慣性體之質與轉軸間的垂 直距離r達到功效。如下述轉動慣量公式： I = J2 miri ί=1 :=由於多質點慣性體之轉動慣量為各質點質量乘上， =與轉㈣直距離平方之總合，其中該方程式之^為一 貝點之質量，r;為各質 Α α 一轉軸間之垂直距離；因此 右改變慣性體中各質點之皙曰+ 貝點之質置或改變慣性體中各各質.累 興轉軸間之垂直距離，皆 鐵 ^ 了使丨貝性體之轉動慣量發生s 邊’進而改變本慣質機構 ^^^^ ^ r貝質置。下述兩實施例，即是 叹鏈.丨貝性體中各質旦 n ... '"之貝罝或改變慣性體t各質點與詞 釉間之垂直距離，俾使慣性 ^ 方式。 、性體之轉動慣量發生改變之實旋 產二r貫施例 110526 1321619 •請參閱第4圖’本實施例與第一實施例之差 於 f出轴2H)與慣性體23之間的連接關係，其餘 斤 式慣質機構之液心2G、㈣馬達2卜 = 、因此—= / Μ下僅5兄明其相異處’特此敘明。 圖所不，該慣性體㈡固設於一 上，該齒輪變速箱40内部具有變速齒輪 =40 ==了外接該慣性體23，而另一端 動輪41，该液壓馬達21 齡 兮 42，該傳動輪41唾合該主動輪42，使得二= =機械連接。當液壓馬達21帶動輸出軸 维㈣ 輪42被帶動而旋轉，此時，該主動輪42 二傳動輪41同步轉動’進而帶動齒輪變速箱4〇之變 迷齒輪組’以使該慣性體23旋轉。 下式實施例所揭示，由於系統的慣質係數可以由 b== I * ( 2ττ /P) 2， 其中b為慣質理論中之慣質係數，！為旋 懸之總合。該實施例中，則可以藉由變速齒輪組:^ 比α的調整’將轉動慣量對於系統慣質係數的影邀 I. (2…Ρ”；並且同時考慮到變速齒輪組、傳輪 41及主動輪42的轉動慣量對於系統慣質係數的影變 以調整系統的慣質係數。 a 3 由上可知，該液壓式慣質機構之能量轉換，可藉由調 110526 12 丄 正文速ω輪組之齒輪比，而改變慣性體23在系統作動中 f ^之慣負係數’俾使便於調整該液壓式慣質機構之轉換 #請參閱第5圖，本實施例與第一實施例之差異僅在於 貝！紅23之結構改變，纟餘相關液壓式慣質機構之液壓 纪2〇、液壓馬達21 '管體22、22’及壓力計24之設計均 々同因此不再重複說明相同部份之結構及作動方 式，以下僅說明其相異處，特此敘明。 如第5圖所示，該慣性體23之内部具有至少一質量 塊50’用以增加該慣性體23之質量該慣性體23固言： 於°亥液壓馬達21之輸出軸210上。當液壓馬達21帶動輸 出軸210時，一併帶動該慣性體23旋轉。 由上可知，藉由增設至少一質量塊50以調整慣性體 23之質量，而改變慣質係數，俾使該液壓式慣質機構之 慣質係數得以調整。 綜上所述，本發明之液壓式慣質機構，藉由施力於該 活塞桿之-端，使該液㈣驅動該液壓馬達轉動作功，以x 驅動該係如飛輪之慣性體的質量，俾以承受大噸位之外力 負載；此外’該液壓式慣質機構所使用之元件皆屬成本低 之元件’故該液壓式慣質機構亦達到降低成本之目的。 因此，本發明之液壓式慣質機構中，若有一合力不為 零之外力於該活塞桿上使該活塞位移，進而使^壓紅内 之工作流體因擠壓而經由該連接管以引入該液壓馬達 13 „ 110526 ώ 丄 内而因輸入口與輸出口流體壓力不同而產生壓力差此 麼力差即帶動該液壓馬達旋轉，復帶動該慣性體轉動，以 f到慣質之特性。由於液壓缸技術如業界所周知已發展成 f ’因此以液壓系統取代齒輪機械，則可以低廉之成本提 问償貝機構之外力負載；且因高外力負載震i系統常需配 ^有高阻尼係數之耗能物件’於該條件下本慣質機構之 =力可被$、略，乃得使本發明機構於高外力負載、高阻 :糸數之力學震盪系統中趨近理想慣質機構，以提高電子 電路與機械網路對應之自由度。 准以上所述之具體實施例，僅係用以例釋本發明之特 = 以限定本發明之可實施㈣，在未脫^ 2揭之精神與㈣範訂，的利本發明所揭示 %成之等效改變及修飾，均仍應為下述之中請專利 靶圍所涵蓋。 β V〜 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示習知慣質機構之立體圖； =2圖係顯示本發明之液壓式慣質機構之立體圖； 圖；3圖係顯示本發明之液壓式慣質機構之剖視示意 形立圖X?示本發明螺桿式慣質機構之飛輪第一變 形剖圖係顯示本發明螺桿式慣質機構之飛輪第二變 【主要元件符說說明】 110526 14 1321619

lo 1 座體 ll 齒條 121、 122 ' 123齒輪 12 齒輪組 13 飛輪 20 液壓缸 201 活塞 202 活塞桿 203、 203’ 容置空間 204 連接口 21 液壓馬達 210 輸出軸 211 輸入口 212 輸出口 21a 外齒輪 21b 内齒輪 22、 22， 管體 23 慣性體 24 壓力計 40 齒輪變速箱 41 傳動輪 42 主動輪 50 質量塊 S、W 箭頭方向 15 110526

Claims (1)

1321619 十、申請專利範園： 1. 一種液壓式慣質機構，係包括： 一液愿紅； 、- 一液壓馬達，係連接該液壓缸，並具有一輸出軸 以將該液壓缸之直線運動轉換成旋轉運動；以及 f貝性體，係設於該輸出轴上。 2.如申請專利範圍第1項之液壓式慣質機構，復包括容 設於該液壓缸及液壓馬達中之工作流體。 • 3.如申請專利範圍第i項之液慶式慣質機構，其中，該 液壓缸具有設於缸内之活塞及設於其上並外露之活塞 桿，且該活塞將液壓缸分成兩容置空間，該兩容置空 間亦分別設有連接口。 4.如申請專利範圍第3項之液壓式慣質機構，其中，該 液壓馬達具有輸入口及輸出口，且該輸入口及輸出口 分別以管體連接該連接口。 _ 5.如申請專利範圍第4項之液壓式慣質機構，復包括連 接至該管體之壓力計。 6.如申請專利範圍第1項之液壓式慣質機構’其中，該 慣性體係可調整。 -7.如申請專利範圍第6項之液壓式慣質機構，其中，該 慣性體復包含複數質量塊’各該質量塊以該螺桿輪心 作旋轉’且各該質量塊之質量以及各該質量塊之旋轉 半徑係可調整。 8.如申請專利範圍第6項之液壓式慣質機構，其中，該 110526 16 1321619 慣性’係固設於齒輪變速箱，該齒輪變速箱内部具有變 速齒輪組。 9·如申請專利範圍第1項之液壓式慣質機構，其中，該 慣性體係為飛輪體。 10.如申請專利範圍第丨項之液壓式慣質機構，其中，該 液壓馬達為齒輪式轉子液壓馬達，其由一組擺線齒輪 所構成，該擺線齒輪具有固定於液壓馬達殼體之外齒 輪及在該外齒輪中運轉之内齒輪。 11 ·如申睛專利範圍第丨0項之液壓式慣質機構，其中，該 外齒輪及内齒輪之兩中心係為偏心。

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