專利名稱：主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械振動領域，具體涉及到以齒輪為主體的傳動結構傳遞沖擊扭矩的振動主動減振技術。
背景技術：
目前，在機械動力學及其控制領域中，振動主動控制技術已經成為研究的熱點。振動主動控制包含三個關鍵點控制目標函數，實現目標函數的控制器，加載控制力的執行器。針對不同振動形式有不同的加載控制力執行器①可控擠壓油膜軸承——通過平衡轉子質量偏心，改變油膜特性，控制彎曲振動；②主動平衡校準變質量裝置——通過調節軸系質量偏心，實現軸系主動動平衡的裝置；③磁致伸縮執行器、超磁致伸縮材料激振執行器——控制各類輕質量體的縱向振動；④電流變流體執行器——針對縱向振動；⑤可控壓電晶片支承——針對彎曲振動，縱向振動；⑥磁液變阻執行器——用于汽車懸架縱向振動減振。以上六類執行器不適合扭轉振動，而可用于扭轉振動主動控制的執行器為可控電磁軸承和扭振電機。這兩種執行器為電磁式裝置，均可以用于高頻振動主動控制加載，而且無接觸、無需潤滑，可以實現多種控制策略。可控電磁軸承是通過電磁力平衡轉子重力、通過調節電磁力平衡軸的質量偏心以減小或消除彎曲振動的，用于扭轉振動的控制時，要通過改變軸承的阻尼和剛度來實現，這樣要求實現其功能的控制系統極其復雜。扭振電機控制簡單但只適合安裝在軸系端部，這樣就有在實際工程軸系中安裝受限以及施加控制力矩時會在軸系中產生過大的附加交變扭應力等問題。目前已有的可控電磁軸承和扭振電機都屬小功率電磁式裝置，因此傳遞加載力矩較低，但大功率電磁系統不僅笨重、昂貴、長期運行不太可靠，而且附加強電磁場受環境影響或者對環境產生影響，同時在動力裝置中無法承受瞬時過載。這些執行器只適合對實驗系統或者小型振動系統的主動控制加載。本發明的提出意欲解決上述存在的各種問題并填補此項技術方面的空白。目前國內外對振動主動控制技術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子系統的主動控制”，(西安石油學院學報第17卷第6期)；孫寶東等“新型轉子振動主動控制執行器的研究”，(航空動力學報第11卷第2期)；徐峰等“超磁致伸縮材料作動器的研制及特性分析”，(航空學報第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)。

發明內容
本發明的目的是為解決現有扭轉振動主動控制執行裝置所能傳遞的加載力偏低，安裝位置受限，無法應用到大型轉子系統中的實際問題，而提供一種主動控制齒輪式雙向加載執行機構。該裝置自身不受安裝空間的限制，不用選擇在振動軸系端部安裝，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，又能接受控制系統輸出的加載信號實時地調節加載力矩的方向和頻率，有效減小引起扭轉振動的正反兩個方向的激勵力，或者抑制扭轉振動的位移響應，從而達到主動減振的目的。
以下參照附圖1～附圖3對本發明的結構原理進行詳述。主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器主要由齒輪2、6，摩擦輪3、4，傳動軸5，電磁離合器7，電磁制動器8以及無刷雙向直流伺服電機9等組成。齒輪6和2在本發明中分別為主、從動正變位齒輪，摩擦輪3和4分別為主、副摩擦輪。由從動齒輪2、主摩擦輪3、副摩擦輪4、傳動軸5、主動齒輪6、電磁離合器7、電磁制動器8以及直流伺服電機9組合構成本發明的執行器(圖3中的虛線部分)。本發明將一主軸定為扭轉振動軸1，相對于該軸平行設置一根減振執行器傳動軸5，傳動軸由固定支承S2與可調支承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，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。從動齒輪2用螺栓定位于扭轉振動軸1，與之相應的主動齒輪6套裝于傳動軸5，兩齒輪由箱體B2封裝。從動齒輪2與主動齒輪6的中心距相對于標準中心距拉開0.5～1.5個模數的距離，使得電磁離合器分開時，兩齒輪各自隨軸轉動，齒輪之間不發生嚙合作用，離合器嚙合且電動機有扭矩輸出時，兩齒輪之間傳遞沖擊扭矩實現傳動軸對振動軸的加載。2、6兩齒輪分別為不同材質、等齒數、等模數的正變位齒輪，其變位量為+0.1～+0.25個模數。從動齒輪2可采用優質碳素結構鋼如50Mn，主動齒輪6可采用合金結構鋼如40CrNi，兩齒輪的材料也可以互換。傳動軸5與電磁離合器7、電磁制動器8及無刷雙向直流伺服電機9軸連接。傳動軸5與扭轉振動軸1通過主摩擦輪3和副摩擦輪4摩擦作用產生同步轉動；由無刷雙向直流伺服電機9、電磁制動器8、電磁離合器7的綜合作用使傳動軸5扭轉；通過主動齒輪6與從動齒輪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(由傳動軸5傳出)軸角信號和(由扭轉振動主軸1傳出)振動信號反饋給控制器11。控制器11提供三方面的控制作用——(I)控制伺服電機的正反轉與轉速；(II)控制電磁離合器的分合；(III)控制電磁制動器的分合。本發明利用了摩擦輪摩擦傳動與齒輪間隙沖擊的機械零件作用原理，摩擦輪之間正常摩擦嚙合時由滾動摩擦力傳遞力矩使得副摩擦輪跟隨主摩擦輪轉動。主摩擦輪隨著其安裝軸轉動，副摩擦輪帶動其安裝軸轉動。當兩摩擦輪的摩擦面間正壓力不足時，主副兩摩擦輪之間發生滑動，即副摩擦輪滯后于主摩擦輪的轉動，相應的安裝副摩擦輪的傳動軸產生相對轉動滯后，滯后的角位移量由傳感器10檢測，據此控制離合器、制動器以及電動機動作加載調整(即使得滯后的角位移復位)。由于主從齒輪相對于標準中心距布置的齒輪拉開了0.5～1.5個模數的距離，所以正常運轉情況下齒輪之間不發生嚙合，兩齒輪各自隨軸轉動。扭轉振動軸需要施加載荷減振時制動器8分開，離合器7嚙合，電動機9加載，此時摩擦輪之間發生微量滑動，兩齒輪輪齒之間發生點線接觸傳遞沖擊載荷。
本發明的有益效果在于(1)電動式直流伺服電機可以提供較大的加載力矩，解決了以往電磁式扭轉振動執行器加載力矩偏低的問題，而且電動機的電磁輻射易于屏蔽，使得該執行系統與環境互不影響。(2)設置并行傳動軸來延伸傳動系統，使本執行器的安裝位置不象扭振電機受限于振動軸端部。(3)通過離合器的作用，保證振動軸與電機軸獨立工作，使得本執行器不加載時傳動軸與電機狀態無關。(4)通過控制信號調節電機的啟停與正反轉并通過離合器、制動器的分合實時將所需力矩加載到振動軸上，到達消減振動的目的。


圖1為本發明的機械設計原理結構圖。
圖2為圖1中I-I剖面視圖(主要剖示傳動沖擊的齒輪)。
圖3為包含加載執行器的扭振主動控制系統工作框圖。
圖1、圖3中1-扭轉振動軸，2-從動齒輪，3-主摩擦輪，4-副摩擦輪，5-傳動軸，6-主動齒輪，7-電磁離合器，8-電磁制動器，9-無刷雙向直流司服電機(說明書中簡稱直流司服電機或電動機)，標示S1、S2、S3、S4處為軸系支撐所在位置，標示B1、B2、B3處為密封箱體，10-傳感器，11-控制器。
在圖2中標識“0.5～1.5M”表示兩個正變位齒輪布置的中心距相對于標準中心距拉開0.5～1.5個模數的距離。
具體實施例方式
包含加載執行器的扭振主動控制系統工作框圖如附圖3所示，轉子軸系扭轉振動信號由傳感器10檢測經調理電路傳至控制器11，控制器11依據相應的控制目標函數與控制律發出控制信號控制執行器動作，執行器加載控制力于扭轉振動軸1上以此消減、抑制軸1的扭轉振動。
參照附圖1，在運轉過程中扭轉振動軸1有兩種狀態。
I.扭轉振動軸1正常運行，無扭轉振動發生或者振動甚微，無需施加主動控制力，此時直流司服電機9處于停止，制動器8處于制動，離合器7處于分離狀態，傳動軸5在摩擦輪3、4的作用下隨扭轉振動軸1同步轉動，齒輪2、6之間不發生沖擊碰撞作用。
II.扭轉振動軸1在旋轉過程中發生扭轉振動，需施加主動控制力，此時執行器(圖3中的虛框部分)分兩種情況運行①引起扭轉振動的激勵力是瞬態力，引起振動后激勵消失，但扭轉振動響應不消失，這時制動器8分離，直流司服電機9啟動，達到一定轉速后離合器7閉合，通過兩齒輪2、6的碰撞瞬時加載扭轉力矩，離合器7分離，通過傳感器10判斷振動響應狀況控制下一次加載動作，以此往復直至振動響應降低到合理限度內，離合器7分離，停止電動機9，閉合制動器8。②引起扭轉振動的激勵力為非瞬態力，即持續激勵或周期性激勵，則制動器8分離，啟動電動機9，離合器7閉合直接加載控制力抵消激勵力。
權利要求
1.主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器，主要由主軸(1)、齒輪(2)(6)、摩擦輪(3)(4)、傳動軸(5)、電磁離合器(7)、電磁制動器(8)以及無刷雙向直流伺服電機(9)等組成，其特征在于由從動齒輪(2)、主摩擦輪(3)、副摩擦輪(4)、傳動軸(5)、主動齒輪(6)、電磁離合器(7)、電磁制動器(8)以及無刷雙向直流伺服電機(9)組合構成執行器，主軸(1)為扭轉振動軸(下稱扭轉振動軸1)，相對于該軸平行設置一根減振執行器的傳動軸(5)，傳動軸由固定支承(S2)與可調支承(S3)支撐，在扭轉振動軸(1)上固定主摩擦輪(3)，副摩擦輪(4)固定于傳動軸(5)上，兩摩擦輪封裝于箱體(B1)中，從動齒輪(2)固定于扭轉振動軸(1)，與之相應的主動齒輪(6)固定于傳動軸(5)，兩齒輪由箱體(B2)封裝，傳動軸(5)與電磁離合器(7)、制動器(8)及無刷雙向直流伺服電機(9)軸連接，扭轉振動軸(1)和傳動軸(5)通過主動齒輪(6)與從動齒輪(2)的碰撞傳遞沖擊扭矩。
2.按照權利要求1所述的主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器，其特征在于所述的從動齒輪(2)與主動齒輪(6)為等齒數、等模數的正變位齒輪，變位量為+0.1～+0.25個模數，從動齒輪(2)與主動齒輪(6)的中心距相對于標準中心距拉開0.5～1.5個模數的距離。
3.按照權利要求1所述的主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器，其特征在于所述的從動齒輪(2)與主動齒輪(6)分別采用不同材質齒輪，從動齒輪(2)可采用優質碳素結構鋼，主動齒輪(6)可采用合金結構鋼。
4.按照權利要求1所述的主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器，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，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
主動控制扭振齒輪式雙向加載執行器，主要涉及一種以齒輪傳動為主體結構的振動主動減振技術。由主、從動齒輪，主、副摩擦輪，傳動軸，電磁離合器，電磁制動器以及無刷雙向直流司服電機構成本發明的執行器。將扭轉振動軸定為主軸，相對于該軸平行設置一傳動軸，傳動軸與電磁離合器、制動器及直流伺服電機軸連接。主軸與傳動軸通過主、副摩擦輪的作用做同步轉動，又由伺服電機、電磁制動器、電磁離合器的綜合作用使傳動軸扭轉，通過從動齒輪與主動齒輪的沖擊碰撞作用使兩軸產生瞬時沖擊扭矩。控制信號調節電機的啟停與正反轉并通過離合器、制動器的分合實時將所需力矩加載到振動軸上，到達消減振動的目的。
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 優先權日2004年4月9日
發明者張俊紅, 于鎰隆 申請人:天津大學