一种转动惯量可调及自动校准的惯性飞轮装置

摘要

本发明公开转动惯量模拟装置中的一种转动惯量可调及自动校准的惯性飞轮装置，飞轮盘中间是空套在飞轮轴上的环状凸起，飞轮盘轴向一侧沿其径向上装有两个相对于飞轮盘中心轴对称的丝杠，每个丝杠内端各有一个位于环状凸起内侧的小锥齿轮，环状凸起外侧的每个丝杠上配装有一个质量块，锥齿轮盘设有能与两个小锥齿轮相啮合的锥齿；中间体固定套在飞轮轴外，中间体通过定位立柱有间隙地伸在环状凸起内壁上开有的径向盲孔中，每个定位立柱上均套有螺旋弹簧，飞轮盘轴向另一侧面上设有两组飞轮盘铰座，每组飞轮盘铰座各自通过短连杆铰接质量调节块，质量调节块经长连杆铰接中间体铰座；能连续改变转动惯量的大小，可自动感应和调节飞轮质量不均。

说明书

技术领域

本发明属于实验测试类机械装置，涉及转动惯量模拟装置，具体是转动惯量可调以及惯量自动校准的惯性飞轮结构。

背景技术

转动惯量模拟装置被广泛应用在汽车制动、风力机模拟器、水轮机调速器等实验研究领域。惯性飞轮装置由于其原理简单、稳定可靠从而被广泛应用于转动惯量模拟领域。对于惯性飞轮的设计，既要满足转动惯量准确可靠，同时也要求惯量模拟装置的惯量可在一定范围内调整以满足试验对不同转动惯量的需求。中国专利申请号为CN201310625769.8的文献中提出了一种转动惯量可调的惯性飞轮组装置，主要包括数个可拆卸式的飞轮片以及飞轮片的夹持和拆卸机构，该装置通过增加或减少飞轮片的个数，进而增加转动部件的质量来实现改变飞轮组转动惯量的功能，但是拆卸安装飞轮盘的操作过程很繁琐，同时该装置不能实现转动惯量无级可调，只能满足数种特定的转动惯量大小，具有一定的局限性。中国专利申请号为CN20110618879.1的文献中提出了一种无级调节转动惯量的飞轮转子，该装置通过直流电机转动带动钢丝来调节配重块在飞轮上的位置，进而改变质量块转动半径从而改变飞轮转动惯量的装置，实现转动惯量的无级调节，但是该装置需要将安装的电机、电磁制动器和电池部件与飞轮盘一起转动，使得飞轮装置过于复杂，成本较高同时存在一定危险性。上述两种装置虽然都能满足飞轮转动惯量调节，但均未考虑飞轮转动惯量调节过程中带来的质量分布不均的问题。飞轮在使用过程中各类磨损或撞击也会使得飞轮装置产生质量分布不均，进而使得飞轮会在转动过程中产生不平衡的离心力，将使得整个装置不平衡应力和异常振动，造成装置工作精度和可靠性下降、零件的疲劳磨损以及噪声，因此开发飞轮装置的惯量校准功能非常有必要。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提出一种转动惯量可调及自动校准的惯性飞轮装置，既能实现模拟转动惯量的功能，同时可以在一定范围内调节飞轮转动惯量以满足试验不同需求，针对飞轮在使用过程中由于飞轮质量分布不均产生的异常振动、噪声、轴承动载荷过大等问题可以自动校准转动惯量，能在运转过程中对转动惯量分布不均的问题进行校准调整，免去飞轮装置拆卸检测调整的繁琐步骤，提高工作效率，同时可以减小零件失效的风险，增加了装置的使用寿命。

本发明一种转动惯量可调及自动校准的惯性飞轮装置采用的技术方案是：飞轮轴上空套飞轮盘，飞轮盘的中间是空套在飞轮轴上的环状凸起，在飞轮盘轴向一侧沿其径向上装有两个相对于飞轮盘中心轴对称的丝杠，两个丝杠能转动地与飞轮盘相连接，每个丝杠的内端各有一个位于环状凸起内侧的小锥齿轮，环状凸起外侧的每个丝杠上配装有一个质量块；锥齿轮盘空套在飞轮轴上能沿轴向移动，锥齿轮盘在面对着飞轮盘一端设有能与两个小锥齿轮相啮合的锥齿；环状凸起和飞轮轴之间设有中间体，中间体固定套在飞轮轴外，中间体的两相对面上各固定连接定位立柱和中间体铰座，中间体铰座伸出在环状凸起轴向另一侧外部，中间体通过定位立柱有间隙地伸在环状凸起内壁上开有的径向盲孔中，每个所述定位立柱上均套有螺旋弹簧，飞轮盘能沿所述定位立柱在径向上移动；在飞轮盘轴向另一侧面上设有两组飞轮盘铰座，其中一组飞轮盘铰座与中间体上的对应的一组中间体铰座在径向同一侧，每组飞轮盘铰座各自通过一根短连杆铰接一个质量调节块，质量调节块又经一根长连杆铰接径向同侧的中间体铰座。

本发明采用上述技术方案后的有益效果：

1、本发明中的飞轮盘可以沿立柱克服弹簧力进行少量径向移动，可以自动感应飞轮质量不均，并且通过二连杆机构以及质量调节块自动调节质量不均，校准飞轮质量分布，具有惯量自动校准功能，使飞轮始终处于平衡状态，减少装置的非正常振动，增加其工作精度与使用寿命，无需传感器等测量设备即可在转动过程中感应到飞轮质量不平均的缺陷。

2、本发明通过锥齿轮盘带动与之啮合的小锥齿轮及丝杠传动，进一步带动丝杠上的质量块沿径向移动，完成飞轮转动惯量的大小调节，能连续改变转动惯量的大小，实现多个范围无级调节，适用范围较广；同时惯量的调节装置采用机械结构，相对于电机控制的转动惯量调节装置，省去了动力源与控制部分，结构简单，成本较低。

附图说明

图1是本发明一种转动惯量可调及自动校准的惯性飞轮装置的轴测图；

图2是图1顺时针旋转90度所得到的轴测图；

图3是图1中锥齿轮盘3、压板4、丝杠5、飞轮盘6、质量块8的结构分解图；

图4是图2中飞轮盘6、调节质量块7、中间体9、连杆11、连杆12的结构分解放大图；

图5是图4中的中间体9结构放大图；

图6是本发明在初始位置时的工作状态示意图；

图7是图6中本发明实现转动惯量调节和自动校准功能的工作状态示意图。

图中：1.轴承座；2.飞轮轴；3.锥齿轮盘；4.压板；5.丝杠；6.飞轮盘；6a、6b飞轮盘铰座；7a、7b.质量调节块；8.质量块；9.中间体；9a、9b.定位立柱；9c、9d.中间体铰座；10.挡圈；11a、11b.短连杆；12a、12b.长连杆；13.螺旋弹簧；14.小锥齿轮；41.筋条；61.扇形槽；62环状凸起。

具体实施方式

参见图1、2、3、4，本发明所述的惯性飞轮装置具有一根水平布置的飞轮轴2，飞轮轴2的两端各通过滚动轴承安装在轴承座1上，能绕自身中心轴旋转。

在飞轮轴2上空套有锥齿轮盘3和飞轮盘6，锥齿轮盘3和飞轮盘6沿轴向布置，锥齿轮盘3可以沿飞轮轴2作轴向移动。飞轮轴2、锥齿轮盘3和飞轮盘6中心轴共线，即具有相同的中心轴。锥齿轮盘3具有启动转动惯量调节功能，飞轮盘6上安装有实现转动惯量调节功能和惯量校准功能的零部件。

飞轮盘6由铸铁制成，是相对于中心轴对称的扇形盘，飞轮盘6的中间沿轴向延伸一环状凸起62，环状凸起62空套在飞轮轴2外，与飞轮轴2之间留有径向间隙。飞轮盘6的盘面上开有面向锥齿轮盘3的扇形槽61，扇形槽61相对于飞轮盘6中心轴对称。

在飞轮盘6的轴向一侧，沿飞轮盘6的径向上安装两个相对于飞轮盘6中心轴对称的丝杠5，丝杠5的中心轴与飞轮盘6中心轴垂直相交，丝杠5可转动地连接飞轮盘6，丝杠5位于扇形槽61中。每个丝杠5的外端穿过飞轮盘6的外缘正中间且通过轴承连接飞轮盘6外缘，每个丝杠5的内端各制有一个小锥齿轮14，小锥齿轮14与丝杠5同轴，每个丝杠5均穿过环状凸起62且通过轴承连接环状凸起62。两个小锥齿轮14均在环状凸起62内侧，位于环状凸起62和飞轮轴2的径向间隙之间，与飞轮轴2不接触，两个小锥齿轮14相对于飞轮盘6中心轴对称布置。每个丝杠5的中间配装有一个质量块8，质量块8与丝杠5通过螺纹连接。质量块8为圆弧状铸件，在环状凸起62的外侧，位于扇形槽61内，两个质量块8相对于飞轮盘6中心轴对称布置。

飞轮盘6在面对锥齿轮盘3的轴向一侧装有压板4，压板4也同轴空套在飞轮轴2上，压板4的侧面与飞轮盘6和质量块8的轴向一侧面均紧贴一起，质量块8的轴向另一侧面紧贴在飞轮盘6的轴向另一侧面上，即扇形槽61的槽底面上。压板4的外形轮廓与飞轮盘6的外形轮廓一致，压板4在正对着丝杠5的位置有径向的筋条41，筋条41紧贴于质量块8用于限制质量块8的转动。安装好的压板4限制丝杠5只能转动而不能在轴向和径向移动。质量块8左右两侧面分别贴合在压板4和飞轮盘6的侧面上，使得质量块8不能随着丝杠5转动，只能随着丝杠5的转动而在飞轮盘6的径向移动，从而达到改变质量块8转动半径、调节转动惯量大小的目的。

锥齿轮盘3在面对着飞轮盘6的一端制有锥齿，该锥齿能够与两个小锥齿轮14相啮合传动。锥齿轮盘3的另一端制有凹圈，可以放置在轴承座1的凸台上。锥齿轮盘3的中心孔径略大于飞轮轴2的直径，使锥齿轮盘环3套在飞轮轴2上且可以沿轴向移动。

飞轮盘6的环状凸起62中心孔是方形孔，也就是飞轮盘6以方形孔套在飞轮轴2外。在方形孔内部嵌有方形的中间体9。在环状凸起62内壁上设有与方形孔相通的两个径向盲孔，两个径向盲孔相对于飞轮盘6中心轴对称布置，两个径向盲孔用来安装中间体9。

参见图5，中间体9的中心设有圆孔，通过圆孔同轴套在飞轮轴2上并且通过平键与飞轮轴2固定相配合，可以随着飞轮轴2的转动而转动。中间体9通过挡圈10进行轴向定位。中间体9的两相对面上均各固定连接定位立柱和中间体铰座，分别是在径向上一侧的两个定位立柱9a、径向上另一侧的两个定位立柱9b和径向上一侧的一组中间体铰座9c、径向上另一侧的一组中间体铰座9d。径向同侧的两个定位立柱9a和两个定位立柱9b两两一组相对于飞轮轴2中心对称，并且径向同侧的两个定位立柱9a、9b各自相对于丝杠5的中心也对称布置。中间体铰座9c 和一组中间体铰座9d相对于飞轮轴2中心对称，并且同侧的每组的中间体铰座9c、9d各自相对于丝杠5的中心也对称布置。在每个定位立柱9a、9b上套有一个螺旋弹簧13，定位立柱9a、9b位于飞轮盘6的中间方形孔内，安装好的螺旋弹簧13的中间体9通过定位立柱9a、9b内嵌在飞轮盘6的中间方形孔内，并且定位立柱9a、9b有间隙地伸在环状凸起62上与方形孔相通的两个径向盲孔中，通过定位立柱和盲孔的配合，以及刚性较大弹性的螺旋弹簧13支撑住飞轮盘6及其固定连接件的重量，一方面，在中间体9随着飞轮轴2转动时能带着飞轮盘6进行转动，一起转动来产生转动惯量；另一方面，使得飞轮盘6能克服弹簧力沿定位立柱9a、9b轴向移动。中间体铰座9c、9d均位于飞轮盘6的中间方形孔的外部，即伸出在环状凸起62轴向另一侧外部。

参见图4，在飞轮盘6的轴向另一侧面上设有两组飞轮盘铰座，两组飞轮盘铰座分别是飞轮盘铰座6a和飞轮盘铰座6b，两组飞轮盘铰座相对于飞轮轴2中心对称布置，并且每组飞轮盘铰座6a、6b各自相对于丝杠5的中心也对称布置。其中一组飞轮盘铰座与中间体9上的对应的一组中间体铰座在径向同一侧， 每组飞轮盘铰座6a、6b各自通过一根短连杆铰接一个质量调节块，质量调节块又经一根长连杆铰接对应径向同一侧方向上的中间体铰座，质量调节块安装在短连杆与对应径向同一侧方向上的长连杆之间，并且质量调节块与飞轮盘6不接触，两个质量调节块处于相对于飞轮盘6中心轴对称。短连杆和对应径向同一侧方向上的长连杆组成二连杆机构，能够带动对应方向上的质量调节块在径向上移动。具体是：飞轮盘铰座6a铰接短连杆11a的内端，短连杆11a的外端铰接质量调节块7a，质量调节块7a同时铰接长连杆12a的外端，长连杆12a的内端铰接中间体铰座9c；飞轮盘铰座6b铰接短连杆11b的内端，短连杆11b的外端铰接质量调节块7b，质量调节块7b同时铰接长连杆12b外端，长连杆12 b的内端铰接中间体铰座9d。

飞轮盘6以及与其相连接的质量块8、质量调节块7a、7b、丝杠5、短连杆11a、11b与长连杆12a、12b组成的二连杆机构、压板4一起组成飞轮的主体。当飞轮盘6沿着定位立柱9a、9b轴向移动时，将会拉动短连杆11a、11b，同时带动长连杆12a、12b以及质量调节块7a、7b运动。

转动惯量的大小与转动部分的质量以及转动半径的大小有关。本发明的惯量调节功能由飞轮盘6与锥齿轮盘3配合实现，通过改变质量块8距离飞轮轴2轴线的距离来改变转动惯量的大小。改变质量调节块7a、7b至飞轮轴2的中心轴线之间的距离，进而改变质量调节块7a、7b随飞轮盘6转动时转动半径，最终达到微调飞轮盘6的转动惯量的目的。

如图6和图7所示，本发明在初始静止状态时，锥齿轮盘3放置在同向的轴承座1的凸台上，两个质量块8和两个质量调节块7a、7b各自处于相对于飞轮盘6中心轴对称的位置，此时飞轮盘6以及与飞轮盘6相连接的对称部件的质量相同且转动半径相等，整个装置处于平衡状态且可以由飞轮轴2带动中间体9旋转，再通过短连杆11a、11b与长连杆12a、12b组成的二连杆机构带动飞轮盘6及其连接件整体旋转，进行转动惯量模拟。

当飞轮需要根据要求改变装置的转动惯量时，需在装置处于静止状态时调整，将原先放置在轴承座1凸台上的锥齿轮盘3向飞轮盘6方向移动，使锥齿轮盘3的锥齿轮与丝杠5内端的小锥齿轮14啮合。此时，手动旋转锥齿轮盘3，通过锥齿轮和小锥齿轮14带动丝杠5转动，使得质量块8在丝杠5转动的同时，沿径向内外移动，改变质量块8的转动半径，实现转动惯量的无级调节。

当飞轮产生质量分布不均匀的缺陷时，该装置可以在飞轮转动过程中实现转动惯量自动校准的功能。参见图7所示，此时飞轮中心的上下两侧方向质量分布不相同，会导致飞轮转动时上下两侧部分受到的离心力不一样，假设此时飞轮上侧产生缺陷引起质量减少，进而导致上方转动惯量减少，当飞轮转动时，上下方向受到的离心力的合力向下，飞轮盘6会克服螺旋弹簧13力沿着定位立柱9b的轴向向下运动，同时与飞轮盘6相连接的质量块8、质量调节块7a、7b、丝杠5、二连杆机构、压板4都会一起向下运动。此时，飞轮盘铰座6a随着飞轮整体向下移动，进一步带动短连杆11a绕着飞轮盘铰座6a沿逆时针方向转动一定角度，短连杆11a与飞轮盘6的盘面之间的夹角A会减小；长连杆12a在短连杆11a的拉力作用下绕着中间体铰座9c逆时针方向转动一定角度，长连杆12a与飞轮盘6中心轴之间的夹角B会增大，夹角A的减小与夹角B的增大使得质量调节块7a相对于原始位置向上移动一段距离，即与飞轮轴2的距离增大，与此同时，下部的飞轮盘铰座6b随着飞轮整体下移，会进一步带动短连杆11b绕着飞轮盘铰座6b沿逆时针方向转动一定角度，表现为短连杆11b与飞轮盘6的盘面之间的夹角C增大，长连杆12b在短连杆11b的拉力作用下绕着中间体铰座9d沿逆时针方向转动一定角度，表现为长连杆12b与飞轮盘6中心轴之间的夹角D变小，质量调节块7b相对于原始位置向上移动，与飞轮轴2的距离减少，造成飞轮下部的转动惯量变小。由于飞轮上下部分质量不平均带来的离心力使飞轮主体一直向下移动，该位移将会使质量调节块7b持续向上移动，从而连续造成上部的惯量增加与下部的转动惯量的减小，直至上下两部分的转动惯量相等时，飞轮盘6的位移不再变化，此时飞轮主体的上下部分的转动惯量平均，飞轮惯量失衡状态消除，从而实现了转动惯量的自动校准。