[发明专利]摆线钢球式惯性质量蓄能器

说明书

技术领域

本发明涉及转动型惯性质量蓄能器技术领域，特指摆线钢球式惯性质量蓄能器。

背景技术

近年来，机电系统整合成为科技发展的一个重要方向。机械与电子网络存在两种对应关系，一种是“力-电压”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电感、电阻和电容对应，另一种是“力-电流”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电容、电阻和电感对应。上述机械网络元件为平动型元件，转动型机械网络元件同样与电子网络元件存在对应关系，在力-电流对应中，转动质量、扭转阻尼和扭转弹簧分别与电容、电阻和电感对应。

在机械网络中，弹簧和阻尼元件具有两个端点。然而，质量元件的加速度却必须对地测量，换而言之，即牛顿第二定律给质量元件限定了参考系。由于质量的一个端点必须是惯性参考系，因此质量元件不是一个严格意义上的两端点元件。同样，转动质量(转动惯量)元件也不是一个严格意义的两端点元件，如图1所示。

另一方面，具有两个端点的电阻、电感和电容却不为参考点所限制。因此，电子元件要与质量、转动质量元件对应起来，就必须有一个端点作为参考点接地，这使得机械与电子网络之间的对应不是严格意义上的对应。这极大地限制了设计机电系统时的自由性和灵活度，更糟糕的是，长期以来积累的大量的电子网络理论和研究电子网络的方法不能应用于机械网络的分析与综合。不仅如此，这种不严格的对应还限制了被动机械网络的性能。因此，必须找到严格意义上的两端点机械元件来替代质量元件和转动质量元件，如图2所示。

中国专利200810123830.8公开了一种惯性质量蓄能器，它是一种具有两个端点的机械元件。用它替代质量元件后，平动机械网络与电子网络就严格对应起来，因此许多电子系统的概念可以直接运用于机械系统，包括汽车悬架系统、车辆转向系统、火车悬架系统、建筑隔振系统、直升机隔振系统、动力吸振装置等等。除此以外，该专利还公开了一种齿轮齿条惯性质量蓄能器，如图3所示，包括箱体1、惯性体2、齿轮轴A3、大齿轮4、齿轮轴B5和齿条6，其中齿条6置于箱体上的燕尾槽内，同齿轮轴B5相啮合，大齿轮4与齿轮轴B5同轴相联，与齿轮轴A3相啮合，惯性体2则与齿轮轴A3同轴相联。当外力以方向A或B施加于箱体1和齿条6的末端时，齿条6相对于箱体1会产生相对位移，带动齿轮轴B5、大齿轮4和齿轮轴A3旋转，进而驱动惯性体2旋转。事实上，在运动过程中，齿条6将相对于箱体1做直线运动，而且齿条6和箱体1就是齿轮齿条惯性质量蓄能器的两个端点。齿轮齿条惯性质量蓄的动力学方程为f＝b·a，其中f、a和b分别表示施加在两端点上的力、两端点的相对加速度和惯性质量系数，惯性质量系数可由齿轮组的转动惯量和半径以及惯性体的转动惯量计算出。根据动力学方程，改变惯性体和齿轮组的尺寸便可得到具有合适惯性质量系数的齿轮齿条惯性质量蓄能器。齿轮齿条惯性质量蓄能器克服了机械与电子网络之间不能严格对应的缺点。

尽管很容易设计出齿轮齿条惯性质量蓄能器，但齿轮在啮合时齿间的摩擦力却很大，更严重的问题是齿间存在背隙。由于背隙的存在，在高速旋转换向时会导致迟滞现象和相位的滞后。然而，如果尝试通过调整中心距来减小背隙时，却又会增大齿间的摩擦力。

具有两个端点的元件一齿轮齿条惯性质量蓄能器虽然克服了质量元件参考点接地的限制，使得平动型机械网络与电子网络严格地对应起来，然而，至今仍然还没有找到一种转动型机械元件来克服转动质量元件参考点接地的限制，使转动型机械网络与电子网络也严格地对应起来。并且该转动型机械元件还不能采用齿轮做为传动机构，因为齿轮传动机构存在背隙，会使得实际的转动型机械元件与理想元件的性能相差甚远。因此，找到一种理想的、没有摩擦的、不消耗系统能量的转动型机械元件来克服转动质量元件参考点接地的限制，使转动型机械网络与电子网络也严格地对应起来，显得尤为迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种摆线钢球式惯性质量蓄能器替代转动质量元件，从而使转动型机械网络与电子网络严格对应；采用摆线钢球传动减小摩擦力和系统能量消耗使摆线钢球式惯性质量蓄能器更接近理想元件；通过对摆线钢球传动机构预紧的方法消除由于采用齿轮传动所带来的背隙问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：将惯性体同轴固定连接于摆线钢球减速器的输入轴，将摆线钢球减速器输出轴和壳体作为施加转矩的两个输入端，便得到了一种能替代转动质量元件，使转动型机械网络与电子网络严格对应的转动型机械元件——摆线钢球式惯性质量蓄能器。

本发明具体技术方案为，摆线钢球式惯性质量蓄能器包括摆线钢球减速器和惯性体。