专利名称：主动控制扭振齿轮式双向加载执行器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械振动领域，具体涉及到以齿轮为主体的传递结构传递冲击扭矩的振动主动减振技术。
背景技术：
目前，在机械动力学及其控制领域中，振动主动控制技术已经成为研究的热点。振动主动控制包含三个关键点控制目标函数，实现目标函数的控制器，加载控制力的执行器。针对不同振动形式有不同的加载控制力执行器，可用于扭转振动主动控制的执行器为可控电磁轴承和扭振电机。这两种执行器为电磁式装置，均可以用于高频振动主动控制加载，而且无接触、无需润滑。可控电磁轴承通过调节电磁力平衡轴的质量偏心以减小或消除弯曲振动的，用于扭转振动的控制时要通过改变轴承的阻尼和刚度来实现，这样要求实现其功能的控制系统极其复杂。扭振电机控制简单但只适合安装在轴系端部，这样就有在实际工程轴系中安装位置受限以及施加控制力矩时会在轴系中产生过大的附加交变扭应力等问题。目前已有的可控电磁轴承和扭振电机都属小功率电磁式装置，因此传递加载力矩较低，大功率电磁系统不仅笨重、昂贵、长期运行不太可靠，而且附加强电磁场受环境影响或者对环境产生影响，同时在动力装置中无法承受瞬时过载。因此这些执行器只适合对实验系统或者小型振动系统的主动控制加载。本实用新型的提出意欲解决上述存在的各种问题并填补此项技术方面的空白。
发明内容
本实用新型的目的是；解决现有扭转振动主动控制执行装置所能传递的加载力偏低，安装位置受限，无法应用到大型转子系统中的实际问题，而提供一种主动控制齿轮式双向加载执行机构。该装置自身不受安装空间的限制，不用选择在振动轴系端部安装，所要求的控制器简单，既能方便提供各种大小合适的加载力矩，又能实时地调节加载力矩的方向和频率，有效减小引起扭转振动的正反两个方向的激励力，或者抑制扭转振动的位移响应，从而达到主动减振的目的。
以下参照附图1～附图3对本实用新型的结构原理进行详述。主动控制扭振齿轮式双向加载执行器主要由齿轮2、6，摩擦轮3、4，传动轴5，电磁离合器7，电磁制动器8以及直流伺服电机9等组成。齿轮6和2在本实用新型中分别为主、从动正变位齿轮，摩擦轮3和4分别为主、副摩擦轮。由从动齿轮2、主摩擦轮3、副摩擦轮4、传动轴5、主动齿轮6、电磁离合器7、电磁制动器8以及直流伺服电机9组合构成本实用新型执行器(图3中的虚线部分)。本实用新型将一扭转振动轴1定为主轴，相对于该轴平行设置一根减振执行器传动轴5，传动轴由固定支承S2与可调支承S3支撑。在主轴1上固定主摩擦轮3，副摩擦轮4固定于传动轴5上，两摩擦轮封装于箱体B1中。主摩擦轮3与副摩擦轮4分别采用不同材质，主摩擦轮3可采用耐磨橡胶，副摩擦轮4可采用耐磨、耐高温工程塑料。从动齿轮2固定于扭转振动轴1，与之相应的主动齿轮6固定于传动轴5，两齿轮由箱体B2封装。从动齿轮2与主动齿轮6的布置中心距相对于标准中心距拉开0.5～1.5个模数的距离，使得电磁离合器分开时，两齿轮各自随轴转动，齿轮之间不发生啮合作用，离合器啮合且电动机有扭矩输出时，两齿轮之间传递冲击扭矩实现传动轴对振动轴的加载。2、6两齿轮分别为不同材质、等齿数、等模数的正变位齿轮，其变位量为+0.1～+0.25个模数。从动齿轮2可采用优质碳素结构钢如50Mn，主动齿轮6可采用合金结构钢如40CrNi，两齿轮的材料也可以互换。传动轴5与电磁离合器7、电磁制动器8及直流伺服电机9轴连接。传动轴5与扭转振动轴1通过主摩擦轮3和副摩擦轮4摩擦作用同步转动；由电动机9、制动器8、离合器7的综合作用使传动轴5扭转；通过主动齿轮6与从动齿轮2的冲击碰撞作用使两轴之间传递冲击扭矩。传感器10将采集到传动轴5的轴角信号和扭转振动主轴1的振动信号反馈给控制器11。控制器11提供三方面的控制作用——(1)控制伺服电机的正反转与转速；(II)控制电磁离合器的分合；(III)控制电磁制动器的分合。本实用新型利用了摩擦轮摩擦传动与齿轮间隙冲击的机械零件作用原理，摩擦轮之间正常摩擦啮合时由滚动摩擦力传递力矩使得副摩擦轮跟随主摩擦轮转动。主摩擦轮随着其安装轴转动，副摩擦轮带动其安装轴转动。当两摩擦轮摩擦面之间正压力不足时，主副两摩擦轮之间发生滑动，即副摩擦轮滞后于主摩擦轮的转动，相应的安装副摩擦轮的传动轴产生相对转动滞后，滞后的角位移量由传感器10检测，据此控制离合器、制动器以及电动机动作加载调整(即使得滞后的角位移复位)。由于主从齿轮相对于标准中心距布置的齿轮拉开了0.5～1.5个模数的距离，所以正常运转情况下齿轮之间不发生啮合，两齿轮各自随轴转动。扭转振动轴需要施加控制载荷时制动器8分开，离合器7啮合，电动机9加载，此时摩擦轮之间发生微量滑动，两齿轮轮齿之间发生点线接触传递冲击载荷。
本实用新型的有益效果在于(1)电动式直流伺服电机可以提供较大的加载力矩，解决了以往电磁式扭转振动执行器加载力矩偏低的问题，而且电动机的电磁辐射易于屏蔽，使得该执行系统与环境互不影响。(2)设置并行传动轴来延伸传动系统，使本执行器的安装位置不象扭振电机受限于振动轴端部。(3)通过离合器的作用，保证振动轴与电机轴独立工作，使得本执行器不对振动轴加载时传动轴与电机状态无关。(4)通过控制信号调节电机的启停与正反转并通过离合器、制动器的分合实时将所需力矩加载到振动轴上，到达消减振动的目的。
图1为本实用新型的机械设计原理结构图。
图2为图1中I-I剖面视图(主要剖示传动冲击的齿轮)。
图3为包含加载执行装置的扭振主动控制系统工作框图。
图中1—扭转振动轴，2—从动齿轮，3—主摩擦轮，4—副摩擦轮，5—传动轴，6—主动齿轮，7—电磁离合器，8—电磁制动器，9—无刷双向直流司服电机(说明书中简称直流司服电机或电动机)，标示S1、S2、S3、S1处为轴系支撑所在位置，标示B1、B2、B3处为密封箱体，10—传感器，11—控制器。
在图2中标识“0.5～1.5M”表示两个正变位齿轮布置时的中心距相对于标准中心距拉开0.5～1.5个模数的距离。
具体实施方式
包含加载执行装置的扭振主动控制系统工作框图如附图3所示，转子轴系扭转振动信号由传感器10检测经调理电路传至控制器11，控制器11依据相应的控制目标函数与控制律发出控制信号控制执行器动作，执行器加载控制力于振动轴以此消减、抑制振动。
参照附图1，扭转振动轴1在运转过程中有两种状态。
I.扭转振动轴1正常运行，无扭转振动发生或者振动甚微，无需施加主动控制力，此时直流电动机9处于停止，制动器8处于制动，离合器7处于分离状态，传动轴5在摩擦轮3、4的作用下随扭转振动轴1同步转动，齿轮2、6之间不发生冲击碰撞作用。
II.扭转振动轴1在旋转过程中发生扭转振动，需施加主动控制力，此时执行器(图3中的虚框部分)分两种情况运行①针对瞬态激励力，即引起振动后激励消失，但扭转振动响应不消失，这时制动器8分离，电机9启动，达到一定转速后离合器7闭合，通过两齿轮2、6的碰撞瞬时加载扭转力矩，离合器7分离，通过传感器10判断振动响应状况控制下一次加载动作，以此往复直至振动响应降低到合理限度内，离合器7分离，停止电机9，闭合制动器8。②引起扭转振动的激励力为非瞬态力，即持续激励或周期性激励，则制动器8分离，启动电机9，离合器7闭合直接加载控制力抵消激励力。
权利要求1.主动控制扭振齿轮式双向加载执行器，主要由扭转振动轴(1)、齿轮(2)(6)、摩擦轮(3)(4)、传动轴(5)、电磁离合器(7)、电磁制动器(8)以及直流伺服电机(9)等组成，其特征在于由从动齿轮(2)、主摩擦轮(3)、副摩擦轮(4)、传动轴(5)、主动齿轮(6)、电磁离合器(7)、电磁制动器(8)以及无刷双向直流伺服电机(9)组合构成执行器，将一扭转振动轴(1)定为主轴，相对于该轴平行设置一根减振执行器的传动轴(5)，传动轴由固定支承(S2)与可调支承(S3)支撑，在扭转振动轴(1)上固定主摩擦轮(3)，副摩擦轮(4)固定于传动轴(5)上，两摩擦轮封装于箱体(B1)中，从动齿轮(2)用螺栓定位于扭转振动轴(1)，与之相应的主动齿轮(6)套装于传动轴(5)，两齿轮由箱体(B2)封装，传动轴(5)与电磁离合器(7)、制动器(8)及无刷双向直流伺服电机(9)轴连接，扭转振动轴(1)和传动轴(5)通过主动齿轮(6)与从动齿轮(2)的碰撞传递冲击扭矩。
2.按照权利要求1所述的主动控制扭振齿轮式双向加载执行器，其特征在于所述的从动齿轮(2)与主动齿轮(6)为等齿数、等模数的正变位齿轮，变位量为+0.1～+0.25个模数，从动齿轮(2)与主动齿轮(6)的中心距相对于标准中心距拉开0.5～1.5个模数的距离。
3.按照权利要求1所述的主动控制扭振齿轮式双向加载执行器，其特征在于所述的从动齿轮(2)与主动齿轮(6)分别采用不同材质齿轮，从动齿轮(2)可采用优质碳素结构钢，主动齿轮(6)可采用合金结构钢。
4.按照权利要求1所述的主动控制扭振齿轮式双向加载执行器，其特征在于所述的主摩擦轮(3)与副摩擦轮(4)分别采用不同材质，主摩擦轮(3)可采用耐磨橡胶，副摩擦轮(4)可采用耐磨耐高温性工程塑料。
专利摘要主动控制扭振齿轮式双向加载执行器，主要涉及一种以齿轮传动为主体结构的振动主动减振技术。由主、从动齿轮，主、副摩擦轮，传动轴，电磁离合器，电磁制动器以及直流司服电机构成本实用新型的执行器。将扭转振动轴定为主轴，相对于该轴平行设置一传动轴，传动轴与电磁离合器、制动器及直流伺服电机轴连接。主轴与传动轴通过主、副摩擦轮的作用做同步转动，又由伺服电机、电磁制动器、电磁离合器的综合作用使传动轴扭转，通过从动齿轮与主动齿轮的冲击碰撞作用在两轴之间传递冲击扭矩。控制信号调节电机的启停与正反转并通过离合器、制动器的分合实时将所需力矩加载到振动轴上，到达消减振动的目的。
文档编号F16H49/00GK2688972SQ20042002872
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月9日 优先权日2004年4月9日
发明者张俊红, 于镒隆 申请人:天津大学