專利名稱：主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械振動(dòng)領(lǐng)域，具體涉及到以齒輪為主體的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞沖擊扭矩的振動(dòng)主動(dòng)減振技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，在機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其控制領(lǐng)域中，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。振動(dòng)主動(dòng)控制包含三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)控制目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的控制器，加載控制力的執(zhí)行器。針對不同振動(dòng)形式有不同的加載控制力執(zhí)行器①可控?cái)D壓油膜軸承——通過平衡轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，改變油膜特性，控制彎曲振動(dòng)；②主動(dòng)平衡校準(zhǔn)變質(zhì)量裝置——通過調(diào)節(jié)軸系質(zhì)量偏心，實(shí)現(xiàn)軸系主動(dòng)動(dòng)平衡的裝置；③磁致伸縮執(zhí)行器、超磁致伸縮材料激振執(zhí)行器——控制各類輕質(zhì)量體的縱向振動(dòng)；④電流變流體執(zhí)行器——針對縱向振動(dòng)；⑤可控壓電晶片支承——針對彎曲振動(dòng)，縱向振動(dòng)；⑥磁液變阻執(zhí)行器——用于汽車懸架縱向振動(dòng)減振。以上六類執(zhí)行器不適合扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而可用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主動(dòng)控制的執(zhí)行器為可控電磁軸承和扭振電機(jī)。這兩種執(zhí)行器為電磁式裝置，均可以用于高頻振動(dòng)主動(dòng)控制加載，而且無接觸、無需潤滑，可以實(shí)現(xiàn)多種控制策略。可控電磁軸承是通過電磁力平衡轉(zhuǎn)子重力、通過調(diào)節(jié)電磁力平衡軸的質(zhì)量偏心以減小或消除彎曲振動(dòng)的，用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制時(shí)，要通過改變軸承的阻尼和剛度來實(shí)現(xiàn)，這樣要求實(shí)現(xiàn)其功能的控制系統(tǒng)極其復(fù)雜。扭振電機(jī)控制簡單但只適合安裝在軸系端部，這樣就有在實(shí)際工程軸系中安裝受限以及施加控制力矩時(shí)會(huì)在軸系中產(chǎn)生過大的附加交變扭應(yīng)力等問題。目前已有的可控電磁軸承和扭振電機(jī)都屬小功率電磁式裝置，因此傳遞加載力矩較低，但大功率電磁系統(tǒng)不僅笨重、昂貴、長期運(yùn)行不太可靠，而且附加強(qiáng)電磁場受環(huán)境影響或者對環(huán)境產(chǎn)生影響，同時(shí)在動(dòng)力裝置中無法承受瞬時(shí)過載。這些執(zhí)行器只適合對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或者小型振動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)控制加載。本發(fā)明的提出意欲解決上述存在的各種問題并填補(bǔ)此項(xiàng)技術(shù)方面的空白。目前國內(nèi)外對振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究做了不少工作，如張韜等“電磁軸承—擠壓油膜阻尼器支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主動(dòng)控制”，(西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)第17卷第6期)；孫寶東等“新型轉(zhuǎn)子振動(dòng)主動(dòng)控制執(zhí)行器的研究”，(航空動(dòng)力學(xué)報(bào)第11卷第2期)；徐峰等“超磁致伸縮材料作動(dòng)器的研制及特性分析”，(航空學(xué)報(bào)第23卷第6期)；John M.Vance“Experimental Measurements of Actively Controlled Bearing DampingWith an Electrorheological Fluid”，(Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，Vol.122 No.2)；Erdman Arthur G.“Complex Mode Dynamic Analysis of Flexible MechanismSystems with Piezoelectric Sensors and Actuators”，(Multibody System Dynamics，Vol.8No.1)；Schweitzer G.“Active Magnetic Bearings”，(Hochschlverlag AG an der ETH Zurich)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主動(dòng)控制執(zhí)行裝置所能傳遞的加載力偏低，安裝位置受限，無法應(yīng)用到大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的實(shí)際問題，而提供一種主動(dòng)控制齒輪式雙向加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該裝置自身不受安裝空間的限制，不用選擇在振動(dòng)軸系端部安裝，所要求的控制器簡單，既能方便提供各種大小合適的加載力矩，又能接受控制系統(tǒng)輸出的加載信號實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)加載力矩的方向和頻率，有效減小引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的正反兩個(gè)方向的激勵(lì)力，或者抑制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的位移響應(yīng)，從而達(dá)到主動(dòng)減振的目的。
以下參照附圖1～附圖3對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行詳述。主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器主要由齒輪2、6，摩擦輪3、4，傳動(dòng)軸5，電磁離合器7，電磁制動(dòng)器8以及無刷雙向直流伺服電機(jī)9等組成。齒輪6和2在本發(fā)明中分別為主、從動(dòng)正變位齒輪，摩擦輪3和4分別為主、副摩擦輪。由從動(dòng)齒輪2、主摩擦輪3、副摩擦輪4、傳動(dòng)軸5、主動(dòng)齒輪6、電磁離合器7、電磁制動(dòng)器8以及直流伺服電機(jī)9組合構(gòu)成本發(fā)明的執(zhí)行器(圖3中的虛線部分)。本發(fā)明將一主軸定為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1，相對于該軸平行設(shè)置一根減振執(zhí)行器傳動(dòng)軸5，傳動(dòng)軸由固定支承S2與可調(diào)支承S3支撐。在主軸1上固定主摩擦輪3，副摩擦輪4固定于傳動(dòng)軸5上，兩摩擦輪封裝于箱體B1中。主摩擦輪3與副摩擦輪4分別采用不同材質(zhì)，主摩擦輪3可采用耐磨橡膠，副摩擦輪4可采用耐磨、耐高溫工程塑料。從動(dòng)齒輪2用螺栓定位于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1，與之相應(yīng)的主動(dòng)齒輪6套裝于傳動(dòng)軸5，兩齒輪由箱體B2封裝。從動(dòng)齒輪2與主動(dòng)齒輪6的中心距相對于標(biāo)準(zhǔn)中心距拉開0.5～1.5個(gè)模數(shù)的距離，使得電磁離合器分開時(shí)，兩齒輪各自隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪之間不發(fā)生嚙合作用，離合器嚙合且電動(dòng)機(jī)有扭矩輸出時(shí)，兩齒輪之間傳遞沖擊扭矩實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸對振動(dòng)軸的加載。2、6兩齒輪分別為不同材質(zhì)、等齒數(shù)、等模數(shù)的正變位齒輪，其變位量為+0.1～+0.25個(gè)模數(shù)。從動(dòng)齒輪2可采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼如50Mn，主動(dòng)齒輪6可采用合金結(jié)構(gòu)鋼如40CrNi，兩齒輪的材料也可以互換。傳動(dòng)軸5與電磁離合器7、電磁制動(dòng)器8及無刷雙向直流伺服電機(jī)9軸連接。傳動(dòng)軸5與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1通過主摩擦輪3和副摩擦輪4摩擦作用產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)動(dòng)；由無刷雙向直流伺服電機(jī)9、電磁制動(dòng)器8、電磁離合器7的綜合作用使傳動(dòng)軸5扭轉(zhuǎn)；通過主動(dòng)齒輪6與從動(dòng)齒輪2的沖擊碰撞作軸之間傳遞沖擊扭矩。傳感器10將采集到的(由傳動(dòng)軸5傳出)軸角信號和(由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主軸1傳出)振動(dòng)信號反饋給控制器11?？刂破?1提供三方面的控制作用——(I)控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速；(II)控制電磁離合器的分合；(III)控制電磁制動(dòng)器的分合。本發(fā)明利用了摩擦輪摩擦傳動(dòng)與齒輪間隙沖擊的機(jī)械零件作用原理，摩擦輪之間正常摩擦嚙合時(shí)由滾動(dòng)摩擦力傳遞力矩使得副摩擦輪跟隨主摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。主摩擦輪隨著其安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，副摩擦輪帶動(dòng)其安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)兩摩擦輪的摩擦面間正壓力不足時(shí)，主副兩摩擦輪之間發(fā)生滑動(dòng)，即副摩擦輪滯后于主摩擦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)的安裝副摩擦輪的傳動(dòng)軸產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)滯后，滯后的角位移量由傳感器10檢測，據(jù)此控制離合器、制動(dòng)器以及電動(dòng)機(jī)動(dòng)作加載調(diào)整(即使得滯后的角位移復(fù)位)。由于主從齒輪相對于標(biāo)準(zhǔn)中心距布置的齒輪拉開了0.5～1.5個(gè)模數(shù)的距離，所以正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下齒輪之間不發(fā)生嚙合，兩齒輪各自隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸需要施加載荷減振時(shí)制動(dòng)器8分開，離合器7嚙合，電動(dòng)機(jī)9加載，此時(shí)摩擦輪之間發(fā)生微量滑動(dòng)，兩齒輪輪齒之間發(fā)生點(diǎn)線接觸傳遞沖擊載荷。
本發(fā)明的有益效果在于(1)電動(dòng)式直流伺服電機(jī)可以提供較大的加載力矩，解決了以往電磁式扭轉(zhuǎn)振動(dòng)執(zhí)行器加載力矩偏低的問題，而且電動(dòng)機(jī)的電磁輻射易于屏蔽，使得該執(zhí)行系統(tǒng)與環(huán)境互不影響。(2)設(shè)置并行傳動(dòng)軸來延伸傳動(dòng)系統(tǒng)，使本執(zhí)行器的安裝位置不象扭振電機(jī)受限于振動(dòng)軸端部。(3)通過離合器的作用，保證振動(dòng)軸與電機(jī)軸獨(dú)立工作，使得本執(zhí)行器不加載時(shí)傳動(dòng)軸與電機(jī)狀態(tài)無關(guān)。(4)通過控制信號調(diào)節(jié)電機(jī)的啟停與正反轉(zhuǎn)并通過離合器、制動(dòng)器的分合實(shí)時(shí)將所需力矩加載到振動(dòng)軸上，到達(dá)消減振動(dòng)的目的。


圖1為本發(fā)明的機(jī)械設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)圖。
圖2為圖1中I-I剖面視圖(主要剖示傳動(dòng)沖擊的齒輪)。
圖3為包含加載執(zhí)行器的扭振主動(dòng)控制系統(tǒng)工作框圖。
圖1、圖3中1-扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸，2-從動(dòng)齒輪，3-主摩擦輪，4-副摩擦輪，5-傳動(dòng)軸，6-主動(dòng)齒輪，7-電磁離合器，8-電磁制動(dòng)器，9-無刷雙向直流司服電機(jī)(說明書中簡稱直流司服電機(jī)或電動(dòng)機(jī))，標(biāo)示S1、S2、S3、S4處為軸系支撐所在位置，標(biāo)示B1、B2、B3處為密封箱體，10-傳感器，11-控制器。
在圖2中標(biāo)識“0.5～1.5M”表示兩個(gè)正變位齒輪布置的中心距相對于標(biāo)準(zhǔn)中心距拉開0.5～1.5個(gè)模數(shù)的距離。
具體實(shí)施例方式
包含加載執(zhí)行器的扭振主動(dòng)控制系統(tǒng)工作框圖如附圖3所示，轉(zhuǎn)子軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號由傳感器10檢測經(jīng)調(diào)理電路傳至控制器11，控制器11依據(jù)相應(yīng)的控制目標(biāo)函數(shù)與控制律發(fā)出控制信號控制執(zhí)行器動(dòng)作，執(zhí)行器加載控制力于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1上以此消減、抑制軸1的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
參照附圖1，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1有兩種狀態(tài)。
I.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1正常運(yùn)行，無扭轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生或者振動(dòng)甚微，無需施加主動(dòng)控制力，此時(shí)直流司服電機(jī)9處于停止，制動(dòng)器8處于制動(dòng)，離合器7處于分離狀態(tài)，傳動(dòng)軸5在摩擦輪3、4的作用下隨扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1同步轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2、6之間不發(fā)生沖擊碰撞作用。
II.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，需施加主動(dòng)控制力，此時(shí)執(zhí)行器(圖3中的虛框部分)分兩種情況運(yùn)行①引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的激勵(lì)力是瞬態(tài)力，引起振動(dòng)后激勵(lì)消失，但扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)不消失，這時(shí)制動(dòng)器8分離，直流司服電機(jī)9啟動(dòng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后離合器7閉合，通過兩齒輪2、6的碰撞瞬時(shí)加載扭轉(zhuǎn)力矩，離合器7分離，通過傳感器10判斷振動(dòng)響應(yīng)狀況控制下一次加載動(dòng)作，以此往復(fù)直至振動(dòng)響應(yīng)降低到合理限度內(nèi)，離合器7分離，停止電動(dòng)機(jī)9，閉合制動(dòng)器8。②引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的激勵(lì)力為非瞬態(tài)力，即持續(xù)激勵(lì)或周期性激勵(lì)，則制動(dòng)器8分離，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)9，離合器7閉合直接加載控制力抵消激勵(lì)力。
權(quán)利要求
1.主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器，主要由主軸(1)、齒輪(2)(6)、摩擦輪(3)(4)、傳動(dòng)軸(5)、電磁離合器(7)、電磁制動(dòng)器(8)以及無刷雙向直流伺服電機(jī)(9)等組成，其特征在于由從動(dòng)齒輪(2)、主摩擦輪(3)、副摩擦輪(4)、傳動(dòng)軸(5)、主動(dòng)齒輪(6)、電磁離合器(7)、電磁制動(dòng)器(8)以及無刷雙向直流伺服電機(jī)(9)組合構(gòu)成執(zhí)行器，主軸(1)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸(下稱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸1)，相對于該軸平行設(shè)置一根減振執(zhí)行器的傳動(dòng)軸(5)，傳動(dòng)軸由固定支承(S2)與可調(diào)支承(S3)支撐，在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸(1)上固定主摩擦輪(3)，副摩擦輪(4)固定于傳動(dòng)軸(5)上，兩摩擦輪封裝于箱體(B1)中，從動(dòng)齒輪(2)固定于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸(1)，與之相應(yīng)的主動(dòng)齒輪(6)固定于傳動(dòng)軸(5)，兩齒輪由箱體(B2)封裝，傳動(dòng)軸(5)與電磁離合器(7)、制動(dòng)器(8)及無刷雙向直流伺服電機(jī)(9)軸連接，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸(1)和傳動(dòng)軸(5)通過主動(dòng)齒輪(6)與從動(dòng)齒輪(2)的碰撞傳遞沖擊扭矩。
2.按照權(quán)利要求1所述的主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器，其特征在于所述的從動(dòng)齒輪(2)與主動(dòng)齒輪(6)為等齒數(shù)、等模數(shù)的正變位齒輪，變位量為+0.1～+0.25個(gè)模數(shù)，從動(dòng)齒輪(2)與主動(dòng)齒輪(6)的中心距相對于標(biāo)準(zhǔn)中心距拉開0.5～1.5個(gè)模數(shù)的距離。
3.按照權(quán)利要求1所述的主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器，其特征在于所述的從動(dòng)齒輪(2)與主動(dòng)齒輪(6)分別采用不同材質(zhì)齒輪，從動(dòng)齒輪(2)可采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，主動(dòng)齒輪(6)可采用合金結(jié)構(gòu)鋼。
4.按照權(quán)利要求1所述的主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器，其特征在于所述的主摩擦輪(3)與副摩擦輪(4)分別采用不同材質(zhì)，主摩擦輪(3)可采用耐磨橡膠，副摩擦輪(4)可采用耐磨耐高溫性工程塑料。
全文摘要
主動(dòng)控制扭振齒輪式雙向加載執(zhí)行器，主要涉及一種以齒輪傳動(dòng)為主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)減振技術(shù)。由主、從動(dòng)齒輪，主、副摩擦輪，傳動(dòng)軸，電磁離合器，電磁制動(dòng)器以及無刷雙向直流司服電機(jī)構(gòu)成本發(fā)明的執(zhí)行器。將扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸定為主軸，相對于該軸平行設(shè)置一傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸與電磁離合器、制動(dòng)器及直流伺服電機(jī)軸連接。主軸與傳動(dòng)軸通過主、副摩擦輪的作用做同步轉(zhuǎn)動(dòng)，又由伺服電機(jī)、電磁制動(dòng)器、電磁離合器的綜合作用使傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)，通過從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪的沖擊碰撞作用使兩軸產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊扭矩?？刂菩盘栒{(diào)節(jié)電機(jī)的啟停與正反轉(zhuǎn)并通過離合器、制動(dòng)器的分合實(shí)時(shí)將所需力矩加載到振動(dòng)軸上，到達(dá)消減振動(dòng)的目的。
文檔編號F16F15/03GK1563739SQ20041001884
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者張俊紅, 于鎰隆 申請人:天津大學(xué)