專利名稱：擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)動型慣性質(zhì)量蓄能器技術領域，特指擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器。
背景技術：
近年來，機電系統(tǒng)整合成為科技發(fā)展的一個重要方向。機械與電子網(wǎng)絡存在兩種 對應關系，一種是“力_電壓”對應，即質(zhì)量、阻尼和彈簧分別與電感、電阻和電容對應，另一 種是“力_電流”對應，即質(zhì)量、阻尼和彈簧分別與電容、電阻和電感對應。上述機械網(wǎng)絡元 件為平動型元件，轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡元件同樣與電子網(wǎng)絡元件存在對應關系，在力_電流對 應中，轉(zhuǎn)動質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)阻尼和扭轉(zhuǎn)彈簧分別與電容、電阻和電感對應。在機械網(wǎng)絡中，彈簧和阻尼元件具有兩個端點。然而，質(zhì)量元件的加速度卻必須對 地測量，換而言之，即牛頓第二定律給質(zhì)量元件限定了參考系。由于質(zhì)量的一個端點必須是 慣性參考系，因此質(zhì)量元件不是一個嚴格意義上的兩端點元件。同樣，轉(zhuǎn)動質(zhì)量(轉(zhuǎn)動慣 量)元件也不是一個嚴格意義的兩端點元件，如圖1所示。另一方面，具有兩個端點的電阻、電感和電容卻不為參考點所限制。因此，電子元 件要與質(zhì)量、轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件對應起來，就必須有一個端點作為參考點接地，這使得機械與電 子網(wǎng)絡之間的對應不是嚴格意義上的對應。這極大地限制了設計機電系統(tǒng)時的自由性和靈 活度，更糟糕的是，長期以來積累的大量的電子網(wǎng)絡理論和研究電子網(wǎng)絡的方法不能應用 于機械網(wǎng)絡的分析與綜合。不僅如此，這種不嚴格的對應還限制了被動機械網(wǎng)絡的性能。因 此，必須找到嚴格意義上的兩端點機械元件來替代質(zhì)量元件和轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件，如圖2所示。中國專利200810123830. 8公開了一種慣性質(zhì)量蓄能器，它是一種具有兩個端點 的機械元件。用它替代質(zhì)量元件后，平動機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡就嚴格對應起來，因此許多 電子系統(tǒng)的概念可以直接運用于機械系統(tǒng)，包括汽車懸架系統(tǒng)、車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、火車懸架系 統(tǒng)、建筑隔振系統(tǒng)、直升機隔振系統(tǒng)、動力吸振裝置等等。除此以外，該專利還公開了一種齒 輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器，如圖3所示，包括箱體1、慣性體2、齒輪軸A3、大齒輪4、齒輪軸B5 和齒條6，其中齒條6置于箱體上的燕尾槽內(nèi)，同齒輪軸B5相嚙合，大齒輪4與齒輪軸B5同 軸相聯(lián)，與齒輪軸A3相嚙合，慣性體2則與齒輪軸A3同軸相聯(lián)。當外力以方向A或B施加 于箱體1和齒條6的末端時，齒條6相對于箱體1會產(chǎn)生相對位移，帶動齒輪軸B5、大齒輪 4和齒輪軸A3旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動慣性體2旋轉(zhuǎn)。事實上，在運動過程中，齒條6將相對于箱體 1做直線運動，而且齒條6和箱體1就是齒輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器的兩個端點。齒輪齒條慣 性質(zhì)量蓄的動力學方程為f = b · a，其中f、a和b分別表示施加在兩端點上的力、兩端點 的相對加速度和慣性質(zhì)量系數(shù)，慣性質(zhì)量系數(shù)可由齒輪組的轉(zhuǎn)動慣量和半徑以及慣性體的 轉(zhuǎn)動慣量計算出。根據(jù)動力學方程，改變慣性體和齒輪組的尺寸便可得到具有合適慣性質(zhì) 量系數(shù)的齒輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器。齒輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器克服了機械與電子網(wǎng)絡之間 不能嚴格對應的缺點。盡管很容易設計出齒輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器，但齒輪在嚙合時齒間的摩擦力卻很 大，更嚴重的問題是齒間存在背隙。由于背隙的存在，在高速旋轉(zhuǎn)換向時會導致遲滯現(xiàn)象和相位的滯后。然而，如果嘗試通過調(diào)整中心距來減小背隙時，卻又會增大齒間的摩擦力。具有兩個端點的元件一齒輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器雖然克服了質(zhì)量元件參考點接 地的限制，使得平動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡嚴格地對應起來，然而，至今仍然還沒有找到一 種轉(zhuǎn)動型機械元件來克服轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件參考點接地的限制，使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡 也嚴格地對應起來。并且該轉(zhuǎn)動型機械元件還不能采用齒輪做為傳動機構(gòu)，因為齒輪傳動 機構(gòu)存在背隙，會使得實際的轉(zhuǎn)動型機械元件與理想元件的性能相差甚遠。因此，找到一種 理想的、沒有摩擦的、不消耗系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)動型機械元件來克服轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件參考點接地 的限制，使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡也嚴格地對應起來，顯得尤為迫切。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提出一種擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器替代轉(zhuǎn)動質(zhì) 量元件，從而使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡嚴格對應；采用擺線鋼球傳動減小摩擦力和系 統(tǒng)能量消耗使擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器更接近理想元件；通過對擺線鋼球傳動機構(gòu)預緊 的方法消除由于采用齒輪傳動所帶來的背隙問題。本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是將慣性體同軸固定連接于擺線鋼球 減速器的輸入軸，將擺線鋼球減速器輸出軸和殼體作為施加轉(zhuǎn)矩的兩個輸入端，便得到了 一種能替代轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件，使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡嚴格對應的轉(zhuǎn)動型機械元件—— 擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器。本發(fā)明具體技術方案為，擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器包括擺線鋼球減速器和慣性 體。慣性體為均質(zhì)的圓柱狀、圓盤狀或帶有環(huán)槽的圓柱狀或圓盤狀回轉(zhuǎn)體。慣性體上 設有中心孔，擺線鋼球減速器的輸入軸穿過中心孔與慣性體同軸固定連接，慣性體與擺線 鋼球減速器的輸入軸的連接方式可選取平鍵、矩形花鍵、漸開線花鍵、螺紋或螺母壓緊的圓 錐面過盈連接。根據(jù)輸入軸與慣性體連接方式的不同，慣性體的中心孔為設有兩個對稱平鍵槽的 圓孔、設有矩形內(nèi)花鍵的圓孔、設有漸開線內(nèi)花鍵的圓孔、設有內(nèi)螺紋的圓孔或設有錐形的 圓孔。擺線鋼球式減速器包括輸入軸、擺線鋼球傳動機構(gòu)、輸出軸、殼體和預緊螺母。輸入軸裝在軸承A內(nèi)，并通過軸承C架在輸出軸上，其偏心部位套裝軸承B。根據(jù) 輸入軸與慣性體連接方式的不同，輸入軸伸出殼體一端的軸頭為圓形或末端帶有螺紋的錐 形，圓形的軸頭上設有對稱的平鍵槽、矩形外花鍵槽、漸開線外花鍵槽或外螺紋。擺線鋼球傳動機構(gòu)包括軸承A、中心盤、軸承B、鋼球A、行星盤、鋼球B、軸承C、軸 承D、軸承E。與殼體固連的中心盤裝在軸承A上，其左端面上設有波數(shù)為Z1的外擺線封閉 槽；行星盤裝在軸承B上，其右端面上設有波數(shù)為Z2的內(nèi)擺線封閉槽，左端面上設有波數(shù)為 Z3的內(nèi)擺線封閉槽；通過軸承D、軸承E支承在殼體上的輸出軸，其右端為盤形，盤形面上設 有波數(shù)為Z4的外擺線封閉槽；在封閉槽Zl、Z2相交錯的區(qū)域內(nèi)裝有鋼球A，其中Z2-Z1 = 2， 鋼球數(shù)為(Zi+Z2)/2 ；在封閉槽z3、Z4相交錯的區(qū)域內(nèi)裝有鋼球B，其中Z3-Z4 = 2，鋼球數(shù)為 (z3+Z3)/2 ；封閉槽Zl、Z2和鋼球A組成嚙合副，封閉槽z3、Z4和鋼球B組成另一個嚙合副。輸出軸在殼體內(nèi)部的一端為盤狀，伸出殼體一端的軸頭為圓形，其上設有兩個對稱的平鍵槽，保證輸出軸作為擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器的轉(zhuǎn)矩輸入端，有效輸入轉(zhuǎn)矩。殼體為薄壁回轉(zhuǎn)體，支撐輸出軸的一端為錐形薄壁回轉(zhuǎn)體，支撐輸入軸的一端為 圓形薄壁回轉(zhuǎn)體，錐形薄壁回轉(zhuǎn)體與圓形薄壁回轉(zhuǎn)體交界的殼壁上設有以回轉(zhuǎn)中心軸為中 心軸的均布螺紋盲孔，數(shù)量為6-10個，保證殼體作為擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器的另一個 轉(zhuǎn)矩輸入端，有效輸入轉(zhuǎn)矩。預緊螺母，一端為空心六方體，供扳手加力，另一端為空心圓柱體，外圓上設有外 螺紋，與設于殼體錐形薄壁回轉(zhuǎn)體部分的內(nèi)螺紋相旋合，旋進預緊螺母可對擺線鋼球傳動 機構(gòu)施加預緊力，消除擺線鋼球傳動機構(gòu)的背隙，保證擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器的性能 接近于理想元件。本發(fā)明中殼體的材料為鑄鐵，其它部件均為鋼材。根據(jù)本發(fā)明提供的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，當轉(zhuǎn)矩施加在輸出軸和殼體上 時，輸出軸會相對于殼體產(chǎn)生相對角位移，輸出軸通過擺線鋼球傳動機構(gòu)帶動輸入軸旋轉(zhuǎn)， 進而帶動慣性體旋轉(zhuǎn)，從而獲得擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器的特征；采用擺線鋼球傳動要 比采用齒輪傳動背隙小得多，且可以通過對擺線鋼球傳動預緊的方法消除背隙；此外，且擺 線鋼球傳動屬滾動摩擦，摩擦力很小。因此，擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器是近似理想的替代 轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件的轉(zhuǎn)動型機械元件，從而使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡嚴格對應起來。
圖1為機械與電子網(wǎng)絡元件對應關系圖；圖2為機械與電子網(wǎng)絡元件嚴格對應關系圖；圖3為齒輪齒條慣性質(zhì)量蓄能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為擺線鋼球減速器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-箱體2-慣性體3-齒輪軸A 4-大齒輪5_齒輪軸B 6_齒條7_擺線鋼 球減速器8-慣性體9-輸入軸10-軸承A 11-中心盤12-軸承B 13-鋼球A 14-行星盤 15-鋼球B 16-輸出軸17-殼體18-軸承C 19-軸承D 20-軸承E 21-預緊螺母
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明包括擺線鋼球減速器7和慣性體8。慣性體8為均質(zhì)的圓柱狀、圓盤狀或帶有環(huán)槽的圓柱狀或圓盤狀回轉(zhuǎn)體。慣性體 8上設有中心孔，擺線鋼球減速器7的輸入軸9穿過中心孔與慣性體8同軸固定連接，慣性 體8與擺線鋼球減速器7的輸入軸9的連接方式可選取平鍵、矩形花鍵、漸開線花鍵、螺紋 或螺母壓緊的圓錐面過盈連接。根據(jù)輸入軸9與慣性體8連接方式的不同，慣性體8的中心孔為設有帶有兩個對 稱平鍵槽的圓孔、矩形內(nèi)花鍵圓孔、漸開線內(nèi)花鍵圓孔、內(nèi)螺紋中心孔或錐形圓孔。擺線鋼球減速器包括輸入軸9、擺線鋼球傳動機構(gòu)、輸出軸16、殼體17和預緊螺母 21。輸入軸9裝在軸承AlO內(nèi)，并通過軸承C18架在輸出軸16上，其偏心部位套裝軸承B12。根據(jù)輸入軸9與慣性體8連接方式的不同，輸入軸9伸出殼體17 —端的軸頭為圓 形或末端帶有螺紋的錐形，圓形的軸頭上設有兩個對稱的平鍵槽、矩形外花鍵槽、漸開線外 花鍵槽或外螺紋。擺線鋼球傳動機構(gòu)包括軸承A10、中心盤11、軸承B12、鋼球A13、行星盤14、鋼球 B15、軸承C18、軸承D19、軸承E20。與殼體17固連的中心盤11裝在軸承AlO上，其左端面 上設有波數(shù)為Z1的外擺線封閉槽；行星盤14裝在軸承B12上，其右端面上設有波數(shù)為Z2的 內(nèi)擺線封閉槽，左端面上設有波數(shù)為Z3的內(nèi)擺線封閉槽；通過軸承D19、軸承E20支承在殼 體17上的輸出軸16，其右端為盤形，盤形面上設有波數(shù)為Z4的外擺線封閉槽；在封閉槽Zl、 Z2相交錯的區(qū)域內(nèi)裝有鋼球A13，其中Z2-Z1 = 2，鋼球數(shù)為(Zl+z2)/2 ；在封閉槽z3、Z4相交 錯的區(qū)域內(nèi)裝有鋼球B15，其中Z3-Z4 = 2，鋼球數(shù)為(Z3+Z3)/2 ；封閉槽21、22和鋼球A13組 成嚙合副，封閉槽z3、Z4和鋼球B15組成另一個嚙合副。輸出軸16在殼體17內(nèi)部的一端為盤狀，伸出殼體17—端的軸頭為圓形，其上設 有兩個對稱的平鍵槽。殼體17為薄壁回轉(zhuǎn)體，支撐輸出軸16的一端為錐形薄壁回轉(zhuǎn)體，支撐輸入軸9的 一端為圓形薄壁回轉(zhuǎn)體，錐形薄壁回轉(zhuǎn)體與圓形薄壁回轉(zhuǎn)體交界的殼壁上設有以回轉(zhuǎn)中心 軸為中心軸的均布螺紋盲孔，數(shù)量為6-10個。預緊螺母21，一端為空心六方體，供扳手加力，另一端為空心圓柱體，外圓上設有 外螺紋，與設于殼體17錐形薄壁回轉(zhuǎn)體部分的內(nèi)螺紋相旋合。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施過程作進一步說明。如圖5所示，輸入軸9以等角速度ω9轉(zhuǎn)動，帶動行星盤14做行星運動；行星盤14 右端面上的封閉槽Z2推動鋼球Α13運動，鋼球Α13受固定中心盤11上封閉槽Z1的約束反 推中心盤11以ω η減速運動；與此同時，中心盤11左端面上封閉槽Z3推動鋼球Β15運動， 通過軸出軸16的盤上的封閉槽Z4把行星盤14的運動再一次減速，并以等角速度ω16經(jīng)輸 出軸16輸出。在以上的運動過程中，輸入軸9作為輸入端，輸出軸16作為輸出端，這個過 程是一個減速的過程；反之，輸出軸16作為輸入端，輸入軸9作為輸出端，則運動過程是一 個增速的過程。擺線鋼球傳動不僅可以大幅度降低摩擦力，還可以通過預緊螺母21對擺線 鋼球傳動機構(gòu)施加預緊力，消除擺線鋼球傳動機構(gòu)的背隙，保證擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能 器的性能接近于理想元件。如圖4所示，當轉(zhuǎn)矩T以相反的方向施加于輸出軸16和殼體17上時，輸出軸16 會相對于殼體17產(chǎn)生相對角位移，輸出軸16通過擺線鋼球傳動機構(gòu)帶動輸入軸9旋轉(zhuǎn)，進 而驅(qū)動慣性體8旋轉(zhuǎn)。相對角位移可以是正方向也可以是負方向，使慣性體8以順時針或 逆時針方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動定律，可以分析輸出軸16相對于殼體17產(chǎn)生的相對角位移與所加 轉(zhuǎn)矩T的關系。輸出軸16和殼體17可以被認為是擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器兩個端點， 如果θ是由于施加于輸出軸16和殼體17上的等大反向的轉(zhuǎn)矩T而引起的相對角位移，那 么根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動定律可以得出下面的方程T = n2-I-0 = r-a這里α是兩個端點的相對角加速度，I是輸入軸和慣性體的總轉(zhuǎn)動慣量，η是擺線 鋼球減速器的減速比，r是轉(zhuǎn)動慣性質(zhì)量系數(shù)。根據(jù)這個方程，可以通過調(diào)整慣性體的轉(zhuǎn)動慣量和減速比來設計出一個具有所需轉(zhuǎn)動慣性質(zhì)量系數(shù)的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器。并 且，由于位移θ是兩端點的相對位移，角加速度α也是兩端點的相對加速度，因此可以得 到下面的方程T = r ( α 2- α J這里α工和α 2是兩個端點的絕對加速度。方程顯示出本發(fā)明是一種具有兩個端 點的轉(zhuǎn)動型機械元件，且端點不必作為參考點接地，從而使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡嚴 格地對應了起來。
權(quán)利要求
一種擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，其特征在于，包括擺線鋼球減速器(7)和慣性體(8)；所述擺線鋼球減速器(7)包括輸入軸(9)、擺線鋼球傳動機構(gòu)、輸出軸(16)、殼體(17)和預緊螺母(21)；所述殼體(17)為薄壁回轉(zhuǎn)體，支撐輸出軸(16)的一端為錐形薄壁回轉(zhuǎn)體，支撐輸入軸(9)的一端為圓形薄壁回轉(zhuǎn)體，錐形薄壁回轉(zhuǎn)體與圓形薄壁回轉(zhuǎn)體交界的殼壁上設有以回轉(zhuǎn)中心軸為中心軸的均布螺絲盲孔，數(shù)量為6 10個；所述輸入軸(9)伸出殼體(17)一端的軸頭為圓形或末端帶有螺紋的錐形；所述慣性體(8)為均質(zhì)的回轉(zhuǎn)體，所述慣性體(8)上設有中心孔，所述擺線鋼球減速器(7)的輸入軸(9)穿過中心孔與慣性體(8)同軸固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，其特征在于，所述慣性體(8)與 擺線鋼球減速器(7)的輸入軸(9)的連接方式為平鍵、矩形花鍵、漸開線花鍵、螺紋或螺母 壓緊的圓錐面過盈連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，其特征在于，所述慣性體(8)的 中心孔為設有兩個對稱平鍵槽的圓孔、設有矩形內(nèi)花鍵的圓孔、設有漸開線內(nèi)花鍵的圓孔、 設有內(nèi)螺紋的圓孔或設有錐形的圓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，其特征在于，所述慣性體(8)為 圓柱狀、圓盤狀或者帶有環(huán)槽的圓柱狀或圓盤狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，其特征在于，所述輸入軸(9)伸出殼體(17)—端的圓形軸頭上設有兩個對稱的平鍵槽、矩形外花鍵槽、漸開線外花 鍵槽或外螺紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，其特征在于，所述殼體 (17)的材料為鑄鐵，其它部件均為鋼材。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種擺線鋼球式慣性質(zhì)量蓄能器，涉及轉(zhuǎn)動型慣性質(zhì)量蓄能器技術領域，包括擺線鋼球減速器(7)和慣性體(8)；擺線鋼球減速器(7)包括輸入軸(9)、擺線鋼球傳動機構(gòu)、輸出軸(16)、殼體(17)和預緊螺母(21)；慣性體(8)為均質(zhì)的回轉(zhuǎn)體，所述慣性體(8)上設有中心孔，擺線鋼球減速器(7)的輸入軸(9)穿過中心孔與慣性體(8)同軸固定連接。本發(fā)明是理想的替代轉(zhuǎn)動質(zhì)量元件的轉(zhuǎn)動型機械元件，可使轉(zhuǎn)動型機械網(wǎng)絡與電子網(wǎng)絡嚴格對應起來。
文檔編號F16H57/02GK101956799SQ20101028131
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者張孝良, 江浩斌, 汪若塵, 聶佳梅, 陳龍 申請人:江蘇大學