一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容制造技术

本发明专利技术提供了一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容，包括上下同轴连接的旋转飞轮和滚珠丝杠；旋转飞轮包括伺服电机、竖直的滑杆、套装在滑杆上且受伺服电机向下推动的受力推杆、连接受力推杆的底端且通过轴承安装在滑杆上的各个滑动臂、通过轴承安装在滑杆底端的各个固定臂以及与滑动臂、固定臂对应的杠杆调节臂，每个滑动臂的末端沿杠杆调节臂上的滑槽滑动，每个固定臂的末端与刚刚调节臂可转动连接，杠杆调节臂的底部固定有质量块，滚珠丝杠的顶端刚性连接固定臂的轴承座。本发明专利技术旋转飞轮采用省力杠杆原理在线改变质量块距转轴的距离，从而改变飞轮的转动惯量，通过在线控制旋转飞轮的转动惯量来改变存储在飞轮中的能量，从而实现惯容量的在线控制。

【技术实现步骤摘要】
一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容
本专利技术涉及一种惯容，具体涉及一种在线控制飞轮转动惯量的惯容。
技术介绍
惯容是剑桥大学Smith教授提出的新型双端口机械元件，满足施加在两个端口的力与两个端口的相对加速度成正比的特性，其中比例系数称为惯容量，单位为千克。目前惯容已经有齿轮齿条式、滚珠丝杠式、液压式等不同实现方法，大多采用不同传动装置如齿轮齿条、滚珠丝杠、液压马达等驱动飞轮旋转的方式来实现惯容的特性。然而，这类实现方法得到的惯容实际上为无源元件(也称被动元件)，即惯容量无法在线调节。这意味着惯容加工并应用后，无法构成闭环控制系统，不能根据外界环境的变化自适应的调整惯容量，这极大地限制了基于惯容系统的性能。为进一步提升基于惯容系统的性能，半主动惯容的概念被提出，并定义为惯容量可在线调节的惯容。参照无源惯容的实现方法，半主动惯容的实现方法主要可分为两类，即在线控制传动装置传动比的方式和在线控制飞轮转动惯量式。在线控制传动比的方式虽然可以采用诸如汽车无极变速箱、行星齿轮箱、控制液压传动管道等方式实现，但实现方案过于复杂，不利于工程实际应用。在线控制飞轮转动惯量式可采用在线控制飞轮径向位置滑块的旋转半径手段来实现，但由于飞轮在高速旋转时，滑块会承受很大的离心力作用，这使得在线改变滑块径向位置需要较大的推力，消耗大量的能量，不适于应用在半主动控制系统中。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提出一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容，通过在线控制杠杆机构的滑动臂与固定臂之间的距离，从而改变飞轮的转动惯量，进而在线控制惯容量。引入省力杠杆机构，可有效降低惯容高速旋转过程中惯容量调节所需的电机推力，从而达到节省能量的目的。技术方案：本专利技术提供了一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容，包括上下同轴连接的旋转飞轮和滚珠丝杠；所述旋转飞轮包括伺服电机、竖直的滑杆、套装在滑杆上且受伺服电机向下推动的受力推杆、连接受力推杆的底端且通过轴承安装在滑杆上的各个滑动臂、通过轴承安装在滑杆底端的各个固定臂以及与滑动臂、固定臂对应的杠杆调节臂，每个滑动臂的末端沿杠杆调节臂上的滑槽滑动，每个固定臂的末端与刚刚调节臂可转动连接，所述杠杆调节臂的底部固定有质量块，滚珠丝杠的顶端刚性连接固定臂的轴承座。进一步，所述滑动臂的长度小于固定臂的长度，杠杆调节臂上滑动臂与固定臂之间的距离大于固定臂与质量块之间的距离，构成力臂可变的省力杠杆。进一步，所述杠杆调节臂以滑杆为中心沿圆周方向等距设置，滑动臂和固定臂同理。进一步，所述旋转飞轮还包括在线测量滑动臂与固定臂之间距离的距离传感器。进一步，所述旋转飞轮和丝杠分别置于飞轮端外壳和丝杠外壳内，丝杠的顶端通过轴承穿过飞轮端外壳的底部与旋转飞轮连接。进一步，所述丝杠上装有驱动其旋转的螺母，所述丝杠外壳的顶面与螺母刚性连接。有益效果：本专利技术通过滚珠丝杠传动装置将线性运动转为飞轮的旋转运动，同时将能量存储在旋转飞轮中。旋转飞轮采用省力杠杆原理在线改变质量块距转轴的距离，从而改变飞轮的转动惯量，通过在线控制旋转飞轮的转动惯量来改变存储在飞轮中的能量，从而实现惯容量的在线控制。省力杠杆机构的设计保证了飞轮在高速旋转时，虽然质量块承受较大的离心力作用，但改变其距转轴的距离所需的电机推力相对于现有装置大大减小，达到节约能量的目的。附图说明图1为本专利技术惯容的整体结构示意图；图2为旋转飞轮的具体结构示意图；图3为基于省力杠杆的旋转飞轮示意图；图4为惯容量在线控制系统框图。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容，如图1所示，包括置于飞轮端外壳1内的旋转飞轮、以及置于丝杠外壳15内的滚珠丝杠13，旋转飞轮的顶面和丝杠外壳15的底面分别设有端子2、17，是与其他机械元件连接的端口。飞轮端外壳1的底面设有轴承，丝杠13的顶端穿过轴承与其连接，即丝杠13绕丝杠13轴心转动但不会与飞轮端外壳1产生上下相对移动。丝杠13上装有驱动其旋转的螺母14，丝杠外壳15的顶面与螺母14刚性连接，因此螺母14驱动丝杠13旋转的同时，丝杠13不会产生位移，螺母14和丝杠外壳15上下线性运动。丝杠13的顶端和底端分别设有中止端12、16，当螺母14线性运动很大时，上下终止段12、16能够保证丝杠13和螺母14不会分离。如图2所示，旋转飞轮包括伺服电机3、伺服电机固定梁5、距离传感器4、滑杆6、受力推杆7、四个滑动臂8、四个固定臂10、四个杠杆调节臂9以及质量块11。伺服电机固定梁5水平的刚性固定于飞轮端外壳1中，固定梁5上安装有伺服电机3与距离传感器4，距离传感器4在线测量滑动臂8与固定臂10之间的距离。滑杆6竖直的穿过伺服电机固定梁5。受力推杆7为T字型，套装在滑杆6上，伺服电机3可穿过固定梁5向下推动受力推杆7的水平部分，使受力推杆7在滑杆6上整体向下滑动。在受力推杆7的底端，四个滑动臂8相互垂直向四个方向水平延伸，通过轴承21与受力推杆7的底端固定且安装在滑杆6上。相对应的，在四个滑动臂8的下方，四个固定臂10相互垂直向四个方向水平延伸，通过轴承20安装在滑杆6上。滑动臂8和固定臂10均可绕滑杆6转动，同方向的滑动臂8和固定臂10对应一个杠杆调节臂9，每个滑动臂8的末端作为滑动点19，可沿杠杆调节臂9上的滑槽滑动；每个固定臂10的末端作为支点18，与杠杆调节臂9可转动连接。杠杆调节臂9的底部固定有质量块11。丝杠13的顶端刚性连接固定臂10的轴承座，丝杠13旋转的同时，滑动臂8、杠杆调节臂9、固定臂10和质量块11跟随其一起转动。通过伺服电机3向下推动受力推杆7的位置，从而能够使滑动臂8的位置下移，滑动臂8与固定臂10之间的距离减小，同时滑动臂8的滑动点19在杠杆调节臂9的滑槽中向下滑动，由于支点18是可转动的连接方式，可通过改变杠杆调节臂9的力臂来扩大质量块11的旋转半径，最终达到调节飞轮转动惯量的目的。为使杠杆调节臂9构成省力杠杆，滑动臂8的长度小于固定臂10的长度，杠杆调节臂9上滑动臂8与固定臂10之间的距离大于固定臂10与质量块11之间的距离。如图3所示，若记滑动臂8从滑杆6中轴至滑动点19的距离为H2，固定臂10从滑杆6中轴至支点18的距离为H1，滑动臂8与固定臂10的竖直距离为H；沿杠杆调节臂9的方向，滑动点19距支点18的长度为L2，质量块11距支点18的距离为L1；质量块11距滑杆6(即转动轴)的水平距离为R，质量块11质量为m，质量块11数量为n，伺服电机3产生的向下推力为F，飞轮旋转角速度为w，则质量块11的旋转半径R与距离H的关系为若忽略杠杆调节臂9、滑动臂8和固定臂10的转动惯量，则飞轮的转动惯量J与距离H的关系为由此可见，滑动臂8与固定臂10的竖直距离H越大，则转动惯量越小，可通过调节距离H来在线调节飞轮的转动惯量。在飞轮以角速度w旋转时，经受力分析，平衡状态下伺服电机3向下推力可表示为由于L2大于L1，因此，本专利技术采用省力杠杆原理设计的飞轮，可有效减少伺服电机3的推力，从而达到节约能量的目的。惯容量可在线连续控制式半主动惯容的惯容量可表示为其中，p为滚珠丝杠13的导程。由公式可知，惯容量b可通过在线控制距离H实现在线调节的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容，其特征在于：包括上下同轴连接的旋转飞轮和滚珠丝杠；所述旋转飞轮包括伺服电机、竖直的滑杆、套装在滑杆上且受伺服电机向下推动的受力推杆、连接受力推杆的底端且通过轴承安装在滑杆上的各个滑动臂、通过轴承安装在滑杆底端的各个固定臂以及与滑动臂、固定臂对应的杠杆调节臂，每个滑动臂的末端沿杠杆调节臂上的滑槽滑动，每个固定臂的末端与刚刚调节臂可转动连接，所述杠杆调节臂的底部固定有质量块，滚珠丝杠的顶端刚性连接固定臂的轴承座。

【技术特征摘要】
1.一种可在线连续控制惯容量的半主动惯容，其特征在于：包括上下同轴连接的旋转飞轮和滚珠丝杠；所述旋转飞轮包括伺服电机、竖直的滑杆、套装在滑杆上且受伺服电机向下推动的受力推杆、连接受力推杆的底端且通过轴承安装在滑杆上的各个滑动臂、通过轴承安装在滑杆底端的各个固定臂以及与滑动臂、固定臂对应的杠杆调节臂，每个滑动臂的末端沿杠杆调节臂上的滑槽滑动，每个固定臂的末端与刚刚调节臂可转动连接，所述杠杆调节臂的底部固定有质量块，滚珠丝杠的顶端刚性连接固定臂的轴承座。2.根据权利要求1所述的可在线连续控制惯容量的半主动惯容，其特征在于：所述滑动臂的长度小于固定臂的长度，杠杆调节臂上滑动臂与固定臂之间的距离大于固...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡银龙，王佳宁，孙永辉，李志华，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32