CN113864401B - 一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，包括：旋转飞轮，其上沿周向均布有多个质量块；质量块能够相对旋转飞轮的径向往复运动，并通过连杆与套环铰接，且可相对套环转动；第一驱动单元用于带动套环上下移动，以带动质量块的移动；导向单元用于对套环的移动进行导向；滚珠丝杠单元，其中丝杠的上端与旋转飞轮相连，丝杠螺母下端与多个力臂可调的杠杆机构相连；均布在丝杠螺母下端的多个杠杆机构，杠杆机构通过与其铰接的支撑杆固定支撑在固定板上，内侧与丝杠螺母铰接，外侧设有力臂调节单元，能够调节相对支撑杆的力臂大小，同时带动丝杠螺母上下移动以驱动丝杠转动，进而带动旋转飞轮的转动。本发明增大了惯容系数的调节范围。

Description

一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置
技术领域
本发明属于半主动惯容领域，具体涉及一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置。
背景技术
惯容，是基于机电相似理论而提出的二端子一端口的机械元件，其两端的相对加速度与施加在其两端的力成正比，比例系数称为惯容系数，与质量具有同样的量纲。惯容已经应用在各种机械***中，如汽车悬架***等方面。惯容可以与数倍于自身质量的质量块产生同样的减振效果。惯容、弹簧及阻尼器结合的悬架用于F1赛车,大大提升了其操控性能；含惯容的火车悬架能提升火车的乘坐舒适性及行驶安全性；在车辆悬架***中，惯容能提高车辆悬架的隔振性能。
到目前为止，已经提出的惯容主要包括三种，齿轮齿条式惯容，滚珠丝杠式惯容，液压式惯容。但这些惯容存在惯容系数不能在线调节，无法适应复杂多变的环境的不足。为了弥补这一不足，半主动惯容的概念被提出，其惯容系数可在线调节，可以适应复杂多变的环境。基于可调转动惯量飞轮的滚珠丝杠式半主动惯容通过改变飞轮上滑块的径向位置实现对飞轮转动惯量的调节，进而实现对惯容系数的调节。但由于受到飞轮半径的限制，使得惯容系数的调节范围受到了一定的限制，因此其适用的振动频率范围有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，解决了现有的基于可调转动惯量飞轮的半主动惯容由于飞轮半径的限制，使得惯容系数的调节范围受到了一定的限制，其适用的振动频率范围有限的问题，增大了滚珠丝杠式半主动惯容的惯容系数的调节范围。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，包括：
旋转飞轮，其上沿周向均布有多个质量块；所述质量块能够相对旋转飞轮的径向往复运动；所述质量块通过连杆与套环铰接，且质量块可相对套环转动；
第一驱动单元，用于带动套环上下移动，以带动质量块相对旋转飞轮的移动；
导向单元，用于对套环的移动进行竖直方向的导向；
滚珠丝杠单元，其中丝杠的上端与旋转飞轮相连，丝杠螺母下端与多个力臂可调的杠杆机构相连；
均布在丝杠螺母下端的多个杠杆机构，所述杠杆机构通过与其铰接的支撑杆固定支撑在固定板上，内侧与丝杠螺母铰接，外侧设有力臂调节单元，能够调节相对支撑杆的力臂大小，同时能够带动丝杠螺母上下移动以驱动丝杠转动，进而带动旋转飞轮的转动。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明通过在可调转动惯量飞轮的滚珠丝杠式半主动惯容的基础上引入一个杠杆机构，结合旋转飞轮的转动惯量和滚珠丝杠的导程，通过调节杠杆机构两力臂之比可以改变等效半主动惯容的惯容系数的调节范围，可以消除物体的振动，使得滚珠丝杠式半主动惯容拥有了更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明所述的基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置的三维图。
图2为图1的前视图。
图3为杠杆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1至图3，本实施例的一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，包括上下同轴连接的旋转飞轮和滚珠丝杠，以及力臂比可调的杠杆。旋转飞轮位于固定框架1内，固定框架1底部装有轴承9，丝杠10的顶端通过轴承9与旋转飞轮8固连。滚珠丝杠的螺母11下部设有四个均布的连杆21，滚珠丝杠和杠杆之间通过连杆21相接。
旋转飞轮包括线性电机2，转轴3，套环4，四个可移动的质量块7以及飞轮转盘8。线性电机2一端与固定框架1固定连接，另一端和套环4之间固定连接，套环4套接在转轴3上，转轴3上端穿过固定框架1，下端固定在飞轮转盘8上，对套环4起到导向作用；套环4和四个可移动的质量块7之间分别通过连杆5铰接。套环4内部带有轴承，连杆5下端与质量块7铰接，上端与轴承铰接，使得质量块7可相对套环4转动；四个质量块7沿飞轮转盘8的周向均布，飞轮转盘8上设有固定的滑轨6，质量块7可以沿滑轨6在飞轮转盘8径向上移动。线性电机2可带动套环4上下移动，通过连杆5拉动质量块7移动。
滚珠丝杠包括丝杠10和驱动其旋转的螺母11。螺母11可以在杠杆的作用下上下移动，带动丝杠10旋转，从而带动飞轮转盘8旋转。
力臂比可调的杠杆包括安装筒18，四个步进电机13，四个调节丝杠12，分别与四个调节丝杠12配合的四个调节螺母14，四个滑动连杆23，固定板16以及底板17。底板17上设有滑轨，滑动连杆23的上端和调节螺母14铰接(铰接点19)，下端可沿着滑轨移动，并且在移动过程中保持竖直。步进电机13与安装筒18固定，转轴与调节丝杠12相连，可带动调节丝杠12的旋转，使得位于调节丝杠12上的调节螺母14沿着杠杆12方向线性运动，改变杠杆的力臂，从而改变杠杆的力臂比。调节丝杠12两端通过轴承支撑在安装筒18内，安装筒18通过支撑杆15与固定板16连接，支撑杆15上端与安装筒18铰接(铰接点20)，下端与固定板16固连。安装筒18靠近转轴3的一端和滚珠丝杠的螺母11下端的连杆21铰接(铰接点22)。
步进电机13转动带动调节螺母14移动，调节螺母14带动滑动连杆23滑动，从而带动螺母11上下移动，同时带动底板17相对固定板16可上下移动，螺母11上下移动带动丝杠10旋转，丝杠10的旋转的同时，飞轮转盘8和可移动质量块7一同随之旋转。线性电机2可推动套环4上下运动，由于套环4和可移动质量块7之间通过连杆5连接，套环4的运动可以使得可移动质量块7沿飞轮转盘8上面的滑轨6轨迹移动。在半主动惯容旋转的时候，可移动质量块7的移动使得整体的转动惯量发生改变，从而达到在线调节惯容量的目的。
如图3所示，若记铰接点20(杠杆支点)至连杆23与调节螺母14之间的铰接点19之间的力臂大小为L1，铰接点20(杠杆支点)至安装筒18与连杆21之间的的铰接点22之间的力臂大小为L2，经受力分析，可以得出基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容的惯容量可以表示为：
Figure BDA0003293218500000031
其中p为滚珠丝杠的导程，J为旋转飞轮的转动惯量。通过公式可知，惯容量b可以通过改变距离L1以及可移动质量块7的旋转半径在线调节。

Claims (3)

1.一种基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，其特征在于，包括：
旋转飞轮，其上沿周向均布有多个质量块；所述质量块能够相对旋转飞轮的径向往复运动；所述质量块通过连杆与套环铰接，且质量块可相对套环转动；
第一驱动单元，用于带动套环上下移动，以带动质量块相对旋转飞轮的移动；所述第一驱动单元包括固定框架、固定在固定框架上的线性电机；
所述固定框架固定在轴承上，丝杠通过轴承与旋转飞轮固连；所述线性电机与套环连接，用于带动套环上下移动；
导向单元，用于对套环的移动进行竖直方向的导向；所述导向单元设置在固定框架和旋转飞轮之间；
滚珠丝杠单元，其中丝杠的上端与旋转飞轮相连，丝杠螺母下端与多个力臂可调的杠杆机构相连；
均布在丝杠螺母下端的多个杠杆机构，所述杠杆机构通过与其铰接的支撑杆固定支撑在固定板上，内侧与丝杠螺母铰接，外侧设有力臂调节单元，能够调节相对支撑杆的力臂大小，同时能够带动丝杠螺母上下移动以驱动丝杠转动，进而带动旋转飞轮的转动。
2.根据权利要求1所述的基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，其特征在于，所述杠杆机构包括安装筒，设置在安装筒内的相互配合的调节丝杆和调节螺母；安装筒内侧通过连杆与丝杠螺母铰接，外侧设有用于带动调节丝杆旋转的步进电机；调节螺母与滑动连杆上端铰接，滑动连杆下端与底板滑动连接；步进电机的转动能够带动底板相对固定板上下移动，步进电机、调节丝杆、调节螺母、底板构成力臂调节单元。
3.根据权利要求1所述的基于杠杆的滚珠丝杠式半主动惯容装置，其特征在于，其惯容量b满足：
Figure FDA0004119779500000011
其中p为滚珠丝杠单元的导程，J为旋转飞轮的转动惯量；L2为杠杆机构与固定板铰接点、杠杆机构与丝杠螺母铰接点，两铰接点之间的力臂大小；L1为杠杆机构与固定板的铰接点、力臂调节单元与支撑杆的铰接点，两铰接点之间的力臂大小。
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