阅读说明：本技术 行星滚柱丝杠式惯容器及其惯质系数计算方法 (Planetary roller screw type inerter and inerter coefficient calculation method thereof ) 是由 温华兵 张坤 刘伟 刘尊程 袁桐桐 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种行星滚柱丝杠式惯容器及其惯质系数计算方法,包括壳体,所述壳体包括上壳体和下壳体,所述上壳体和下壳体通过螺栓连接形成空腔,所述空腔内设有行星滚柱丝杠式惯容组件,所述行星滚柱丝杠式惯容组件包括中心丝杠、行星滚柱、轴端挡板和飞轮,所述中心丝杠位于飞轮的中心处且与行星滚柱通过螺纹啮合连接,所述行星滚柱的两端可转动的安装在轴端挡板的内部,所述轴端挡板通过螺钉固定在飞轮的上下表面中心处,行星滚柱与飞轮通过螺纹啮合连接,所述飞轮通过轴承可转动的安装在空腔内。本发明采用行星滚柱和飞轮共同产生惯性作用,通过行星滚柱的公转和自转双重运动,有效提高惯容器的惯质比和适用性。(The invention discloses a planetary roller screw type inerter and an inerter coefficient calculation method thereof, wherein the planetary roller screw type inerter comprises a shell, the shell comprises an upper shell and a lower shell, the upper shell and the lower shell are connected through bolts to form a cavity, a planetary roller screw type inerter assembly is arranged in the cavity, the planetary roller screw type inerter assembly comprises a central screw, a planetary roller, a shaft end baffle and a flywheel, the central screw is positioned at the center of the flywheel and is in threaded engagement with the planetary roller, two ends of the planetary roller are rotatably arranged in the shaft end baffle, the shaft end baffle is fixed at the center of the upper surface and the lower surface of the flywheel through screws, the planetary roller is in threaded engagement with the flywheel, and the flywheel is rotatably arranged in the cavity through a bearing. The invention adopts the planet roller and the flywheel to jointly generate inertia effect, and effectively improves the inertia-mass ratio and the applicability of the inertia container through the revolution and rotation dual motion of the planet roller.)

行星滚柱丝杠式惯容器及其惯质系数计算方法

技术领域

本发明涉及惯容器技术领域，具体涉及一种行星滚柱丝杠式惯容器及其惯质系数计算方法。

背景技术

惯容器是一种具有良好低频隔振性能的新型两端点机械装置，已经在汽车悬架、火车悬架、飞机起落架、高层建筑等领域得到很好的应用，在减振系统中有良好的低频减振效果。

惯容器输出力与两端的相对加速度成正比，能够以小质量实现大质量的动力学特性，极大拓宽了振动控制的结构形式。然而，惯容器是两端元件，当作为动力吸振器等应用场合中的惯性元件使用时，其作用形式与单质量体有很大不同，不可避免地引起减振频段缩窄等问题。此外，固定结构的惯容器，其固有缺陷是当飞轮的径向尺寸受到限制时无法调整结构参数，滚珠丝杠式惯容器的惯-质比无法改变。

发明目的：本发明目的是提供一种行星滚柱丝杠式惯容器及其惯质系数计算方法，解决了现有固定结构的惯容器，当飞轮的径向尺寸受到限制时，无法调整结构参数，不能适应变化的振动输入，导致惯容器的惯质比无法改变的技术问题。

技术方案：本发明一种行星滚柱丝杠式惯容器，包括壳体，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体通过螺栓连接形成空腔，所述空腔内设有行星滚柱丝杠式惯容组件，所述行星滚柱丝杠式惯容组件包括中心丝杠、行星滚柱、轴端挡板和飞轮，所述中心丝杠位于飞轮的中心处且与行星滚柱通过螺纹啮合连接，所述行星滚柱的两端可转动的安装在轴端挡板的内部，所述轴端挡板通过螺钉固定在飞轮的上下表面中心处，行星滚柱与飞轮通过螺纹啮合连接，所述飞轮通过轴承可转动的安装在空腔内。

进一步的，所述行星滚柱设有多组，多组行星滚柱以中心丝杠中心为圆心环形阵列分布在中心丝杠的周侧，多组行星滚柱的两端均通过轴端挡板内的安装孔可转动的安装在轴端挡板上。

进一步的，所述轴承的外圈卡接在位于空腔内的上壳体和下壳体之间，轴承的内圈卡接在飞轮的侧面，飞轮与壳体为可相对转动结构。

进一步的，所述上壳体的中心处设有贯穿孔，所述中心丝杠贯穿上壳体的贯穿孔上下运动；所述下壳体为中空且底部密封的壳体，下壳体的底部中心处向下延伸形成空心圆柱结构，所述空心圆柱结构的直径小于下壳体的直径，中心丝杠的底端在下壳体的空心圆柱结构内上下运动。

进一步的，所述中心丝杠伸出上壳体的顶端设有上吊耳；所述下壳体的空心圆柱结构底端设有下吊耳。

进一步的，所述行星滚柱的材料为锆或30Cr；所述中心丝杠和行星滚柱的螺纹部分均经过淬火处理或喷涂铁氟龙。

本发明还包括一种行星滚柱丝杠式惯容器的惯质系数计算方法，包括如下步骤：

(1)设x₁、x₂为惯容器两端位移，R为飞轮外圈半径，r₂为行星滚柱半径，另外，丝杠半径为r₁，飞轮和行星滚柱高度为h，根据能量守恒定律得：

式中F——惯容器输出力，J_F——飞轮转动惯量，J_Z1——行星滚柱自转转动惯量，J_Z2——行星滚柱公转转动惯量，ω_F——飞轮-丝杠相对角速度，ω_Z1——行星滚柱自转角速度，ω_Z2——行星滚柱公转角速度，N——行星滚柱数量；

对式(1)两侧同求微分得：

F(v₁-v₂)＝J_Fω_Fα_F+N(J_Z1ω_Z1α_Z1+J_Z2ω_Z2α_Z2) (2)

式中α_F——飞轮-丝杠相对角加速度，α_Z1——行星滚柱自转角加速度，α_Z2——行星滚柱公转角加速度，v₁、v₂——惯容器两端速度；

(2)参考行星轮系，得丝杠、行星滚柱和飞轮的传动关系为：

将式(3)(4)代入(2)得：

根据丝杠传动关系得：

式中p——丝杠导程，a₁、a₂——两端加速度；

将式(6)代入(5)得：

(3)设飞轮和行星滚柱密度为ρ，其质量为：

式中m_F——飞轮质量，m_Z——单个行星滚柱质量；

其转动惯量为：

将(9)代入(7)得：

由式(10)可知，行星滚柱式惯容器的输出力与其两端加速度成正比，符合惯容器的力学特征定义；因此，惯容器的惯质系数的具体表达式如下：

惯质系数b由行星滚柱半径和高度、飞轮半径和高度、行星滚柱数量、丝杠导程和半径以及材料密度所确定。

工作原理：

本发明惯容器的实质是一种力放大结构，当等大反向的力沿轴向施加于上下两吊耳中心时，上下两吊耳做相对直线运动，产生相对位移，将中心丝杠的直线运动转化为飞轮和行星滚柱的旋转运动，中心丝杠驱动行星滚柱转动从而带动飞轮旋转，由此实现对飞轮惯性的封装。惯容器能够将几百千克的惯性质量转化到仅几百克的飞轮旋转中，从而吸收外部的能量。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

相对传统滚珠丝杠式惯容器来说，本发明行星滚柱式惯容器的惯性部件多了能同时作为传动部件的行星滚柱，行星滚柱的数量、半径都可以在飞轮的径向尺寸受到限制时进行调整，能够提高惯质系数和惯质比；飞轮的径向尺寸和质量相同时，行星滚柱式惯容器的作用力大于传统滚柱丝杠式惯容器，力学性能也明显优于传统滚柱丝杠式惯容器。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A-A截面示意图；

图3为本发明行星滚柱丝杠式惯容组件放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1至图3所示，本发明一种行星滚柱丝杠式惯容器,包括壳体，壳体包括上壳体1和下壳体2，上壳体1和下壳体2通过螺栓12连接形成空腔3，空腔3内设有行星滚柱丝杠式惯容组件，行星滚柱丝杠式惯容组件包括中心丝杠4、行星滚柱5、轴端挡板6和飞轮7，中心丝杠4位于飞轮7的中心处且与行星滚柱5通过螺纹啮合连接，行星滚柱5的材料为锆或30Cr，中心丝杠4和行星滚柱5的螺纹部分均经过淬火处理或喷涂铁氟龙，铁氟龙可增加螺纹部分的耐热性、低摩擦性，行星滚柱5的两端可转动的安装在轴端挡板6的内部，轴端挡板6通过螺钉13固定在飞轮7的上下表面中心处，行星滚柱5与飞轮7通过螺纹啮合连接，飞轮7通过轴承8可转动的安装在空腔3内；

其中，行星滚柱5设有五组，五组行星滚柱5以中心丝杠4中心为圆心环形阵列分布在中心丝杠4的周侧，五组行星滚柱5的两端均通过轴端挡板6内的安装孔可转动的安装在轴端挡板6上，安装孔内设有轴承，本发明通过行星滚柱5的数量、半径的改变，可以在飞轮的径向尺寸受到限制时，能够提高惯质系数和惯质比；

轴承8的外圈卡接在位于空腔3内的上壳体1和下壳体2之间，轴承8的内圈卡接在飞轮7的侧面，使得飞轮7与壳体为可相对转动结构；

上壳体1的中心处设有贯穿孔，中心丝杠4贯穿上壳体1的贯穿孔上下运动；下壳体2为中空且底部密封的壳体，下壳体2的底部中心处向下延伸形成空心圆柱结构9，空心圆柱结构9的直径小于下壳体2的直径，中心丝杠4的底端在下壳体2的空心圆柱结构内9上下运动；中心丝杠4伸出上壳体1的顶端设有上吊耳10；下壳体2的空心圆柱结构9底端设有下吊耳11，

当等大反向的力沿轴向施加于上吊耳10和下吊耳11中心时，上吊耳10和下吊耳11做相对直线运动，产生相对位移，将中心丝杠4的直线运动转化为飞轮7和行星滚柱5的旋转运动，中心丝杠4驱动行星滚柱5转动从而带动飞轮7旋转，由此实现对飞轮7惯性的封装，惯容器能够将几百千克的惯性质量转化到仅几百克的飞轮7旋转中，从而吸收外部的能量；

本发明还包括一种行星滚柱丝杠式惯容器的惯质系数计算方法，包括如下步骤：

(1)设x₁、x₂为惯容器两端位移，R为飞轮外圈半径，r₂为行星滚柱半径，另外，丝杠半径为r₁，飞轮和行星滚柱高度为h，根据能量守恒定律得：

式中F——惯容器输出力，J_F——飞轮转动惯量，J_Z1——行星滚柱自转转动惯量，J_Z2——行星滚柱公转转动惯量，ω_F——飞轮-丝杠相对角速度，ω_Z1——行星滚柱自转角速度，ω_Z2——行星滚柱公转角速度，N——行星滚柱数量；

对式(1)两侧同求微分得：

F(v₁-v₂)＝J_Fω_Fα_F+N(J_Z1ω_Z1α_Z1+J_Z2ω_Z2α_Z2) (2)

式中α_F——飞轮-丝杠相对角加速度，α_Z1——行星滚柱自转角加速度，α_Z2——行星滚柱公转角加速度，v₁、v₂——惯容器两端速度；

(2)参考行星轮系，得丝杠、行星滚柱和飞轮的传动关系为：

将式(3)(4)代入(2)得：

根据丝杠传动关系得：

式中p——丝杠导程，a₁、a₂——两端加速度；

将式(6)代入(5)得：

(3)设飞轮和行星滚柱密度为ρ，其质量为：

式中m_F——飞轮质量，m_Z——单个行星滚柱质量；

其转动惯量为：

将(9)代入(7)得：

由式(10)可知，行星滚柱式惯容器的输出力与其两端加速度成正比，符合惯容器的力学特征定义；因此，惯容器的惯质系数的具体表达式如下：

惯质系数b由行星滚柱半径和高度、飞轮半径和高度、行星滚柱数量、丝杠导程和半径以及材料密度所确定。

本发明的惯质系数b不仅与飞轮半径和高度、丝杠导程和半径以及材料密度有关，还与行星滚柱半径和高度、行星滚柱数量有关，现有固定结构的惯容器，当飞轮7的径向尺寸受到限制时，无法调整结构参数，其惯质比也无法改变，导致惯容器惯质系数为定值，而本专利当飞轮7的径向尺寸受到限制时，还可以通过改变行星滚柱5的数量、半径，从而在飞轮的径向尺寸受到限制时，能够提高惯质系数和惯质比；本发明的行星滚柱式惯容器的作用力大于传统滚柱丝杠式惯容器，力学性能也明显优于传统滚柱丝杠式惯容器。