一种含零刚度测量装置的半主动/主动悬架教学实验平台

摘要

一种含零刚度测量装置的半主动/主动悬架教学实验平台，包括激励装置（7）、导向装置（6）、减振装置（5）、半主动/主动切换装置（9）、磁流变减振器、伺服电机、零刚度结构（4）和数据采集系统。所述数据采集系统包括计算机（1）、采集器（2）和功率放大器（8）。本发明教学实验平台利用各传感器所测量的信号，经由控制算法分别确定磁流变减振器的阻尼和伺服电机输出的转矩；通过半主动/主动切换装置可分别验证控制算法的有效性；根据传感器的测量数据，验证零刚度结构的合理性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含零刚度测量装置的半主动/主动悬架教学实验平台，属高校教学实验设备技术领域。

背景技术

现今各大高校并不乏与此类似的悬架教学实验平台，但绝大部分都没有零刚度结构，且工作模式单一。结构上的不足往往使得平台工作不够稳定且控制精度不足；单一的工作模式使得高校需要更多的设备资金和场地，提高了教学成本的同时使得科研教学也不便捷。

因此，该类型悬架教学实验平台存在改进的需要。

发明内容

本发明的目的是，为了提高高校悬架教学实验平台的控制精度和稳定性，为了通过半主动/主动切换装置分别验证控制算法的有效性、验证零刚度结构的合理性，提出一种含零刚度测量装置的半主动/主动悬架教学实验平台。

本发明实现的技术方案如下，一种含零刚度测量装置的半主动/主动悬架教学实验平台，包括激励装置、导向装置、减振装置、半主动/主动切换装置和数据采集系统，还包括磁流变减振器、伺服电机和零刚度结构。

所述磁流变减振器安装在减振装置中；所述伺服电机安装在导向装置中的从动板块与基准板块之间；所述零刚度结构安装在导向装置的从动板块与顶部板块之间。

所述导向装置安装在激励装置上方；减振装置和半主动/主动切换装置安装在导向装置内；所述数据采集系统包括计算机、采集器和功率放大器，所述计算机连接零刚度结构的加速传感器，所述采集器连接位移传感器，所述功率放大器分别连接伺服电机、直线电机和磁流变减振器。

所述平台利用各传感器所测量的信号，分别确定磁流变减振器的阻尼和伺服电机输出的转矩，验证零刚度结构的合理性。

所述零刚度结构由壳体、物块、第一螺旋弹簧、第二螺旋弹簧、第三螺旋弹簧、阻尼和力传感器组成；壳体为长方形刚性框架结构，物块为正方体；在壳体内框中部的长度方向，第一螺旋弹簧和第三螺旋弹簧将物块夹在中间，第一螺旋弹簧和第三螺旋弹簧的另一端分别顶靠壳体内框长度方向两壁；物块与壳体内框的一长边之间平行安装了阻尼、第二螺旋弹簧和力传感器，力传感器固定在壳体内壁上；在阻尼和第二螺旋弹簧的共同作用下使得物块相对于从动板块始终处于平衡状态。

所述激励装置由直线电机、激励底板、皮带、支撑杆、激励顶板、螺杆、导轨和传动板块组成；长方形的激励底板和相同大小的激励顶板，通过四角的四根支撑杆固定为一体；位于上方的激励顶板上安装有两个螺母，两根螺杆垂直方向穿过螺母，螺杆的上部与传动板块连接，螺杆的下部安装有皮带轮；激励顶板的下部立式安装有直线电机；直线电机轴伸上的皮带轮通过皮带带动螺杆下部的皮带轮；传动板块四角安装有圆形导轨，四根导轨分别穿过激励顶板上设置的导轨孔。

所述导向装置包括导轨、传动板块、基准板块、从动板块、顶部板块、第一位移传感器、第二位移传感器、第一牵引装置、第二牵引装置、加速传感器、第一根线和第二根线；所述导向装置中的导轨中下部和中上部各套有一块可移动板块，分别为传动板块和从动板块；在该两板块之间部分的导轨有两根套有螺旋弹簧，未套有螺旋弹簧的导轨与导轨中部的基准板块的孔为过盈配合与之固定；顶部板块的孔与导轨也为过盈配合与之固定；从动板块上方有固定的零刚度结构，该板块下方有固定的加速传感器、第二位移传感器和齿条；第二位移传感器上的第二牵引装置与顶部板块有第一根线连接；基准板块上方有固定的第一位移传感器，第一位移传感器与从动板块下方第一位移传感器上的第一牵引装置之间连有第二根线；基准板块在对应于齿条位置有一通孔，当齿条随从动板块移动时可穿过通孔移动，从而增大齿条可移动范围。

所述减振装置包括第四螺旋弹簧和磁流变减振器；所述第四螺旋弹簧套于从动板块与传动板块之间部分的导轨，所述磁流变减振器固定于基准板块和从动板块之间。

所述半主动/主动切换装置安装在导向装置基准板块与从动板块之间的位置；所述半主动/主动切换装置包括伺服电机、齿轮、齿条、保持架、第一通孔和第二通孔；所述保持架垂直安装固定在基准板块上，伺服电机水平位置安装在保持架上；伺服电机一端安装有齿轮，与安装在基准板块和从动板块之间的齿条啮合；齿条穿过基准板块上的第二通孔；伺服电机利用尾部的第一通孔与保持架固定位置，伺服电机可沿保持架移动；通过沿保持架移动伺服电机使得齿轮与齿条啮合或脱离，从而实现半主动与主动模式的切换。

所述数据采集系统通过计算机输送指令，继而由功率放大器放大指令信号控制电机工作，最终利用采集卡收集传感器所测得数据；计算机利用各传感器所测得数据，经由相应控制算法而改变磁流变减振器的阻尼系数。

本发明的有益效果是，本发明教学实验平台利用各传感器所测量的信号，经由控制算法分别确定磁流变减振器的阻尼和伺服电机输出的转矩；通过半主动/主动切换装置可分别验证控制算法的有效性；根据传感器的测量数据，验证零刚度结构的合理性。该平台结构紧凑，占地面积小，控制精度高，教学实验成本低，便于各大高校科研教学。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为实施例悬架整体结构的立体图；

图3为实施例激励装置的立体图；

图4为实施例激励装置中传动部分的立体图；

图5为实施例悬架减振装置和数据采集系统中测量部分的立体图；

图6a为实施例半主动切换装置的立体图；

图6b为实施例主动切换装置的立体图；

图7为实施例零刚度结构的立体图；

图中，1为计算机；2为采集卡；3为导线；4为零刚度结构；5为减振结构；6为导向装置；7为激励装置；8为功率放大器；9为半主动/主动切换装置；401为外壳；402为物块；403为第一螺旋弹簧；404为阻尼；405为力传感器；406为第二螺旋弹簧；407为第三螺旋弹簧；501为第四螺旋弹簧；502为磁流变减振器；601为导轨；602为传动板块；603为基准板块；604为从动板块；605为顶部板块；606为第一位移传感器；607为第一牵引装置；608为第一线；609为第二位移传感器；610为第二牵引装置；611为加速传感器；612为第二线；701为直线电机；702为激励底板；703为皮带；704为支撑杆；705为激励顶板；706为螺杆；707为螺孔；901为伺服电机；902为齿轮；903为齿条；904为第一通孔；905为保持架；906为第二通孔。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示。

本实施例一种含零刚度测量装置的半主动/主动悬架教学实验平台，包括激励装置7、导向装置6、减振装置5、半主动/主动切换装置9和数据采集系统。

激励装置7，提供激励。

导向装置6：控制板块定向移动，并搭载相应部件。

减振装置5：缓冲能量以及加快振动的衰减。

半主动/主动切换装置9：切换工作模式。

数据采集系统：控制系统工作及数据采集。

本实施例还包括磁流变减振器502、伺服电机901和零刚度结构4。

所述磁流变减振器502安装在减振装置5中；所述伺服电机901安装在导向装置6中的从动板块604与基准板块603之间；所述零刚度结4构安装在导向装置6的从动板块604与顶部板块605之间；所述导向装置6安装在激励装置7上方；减振装置5和半主动/主动切换装置9安装在导向装置5内；所述数据采集系统包括计算机1、采集器2和功率放大器8，所述计算机1连接零刚度结构4的加速传感器611，所述采集器2连接第一位移传感器606，所述功率放大器8分别连接伺服电机901、直线电机701和磁流变减振器502。

所述平台利用各传感器所测量的信号，分别确定磁流变减振器502的阻尼和伺服电机901输出的转矩，验证零刚度结构4的合理性。

如图2、3、4、6a和6b所示，当沿保持架905移动伺服电机901，使齿轮902与齿条903处于脱离状态时为半主动模式；反之，使齿轮902与齿条903处于啮合状态时为主动模式。

由计算机1发出指令，经由功率放大器8放大电信号传送至直线电机701，直线电机701接收电信号后通过皮带703带动螺杆706转动；由于螺杆706与传动板块602中间的两个螺孔707以螺纹连接的方式连接，直线电机701带动螺杆706转动的同时也带动传动板块602移动，从动板块604和零刚度结构4通过螺旋弹簧501传递激励也随传动板块602移动，而该工况下螺旋弹簧501极易产生振动，致使从动板块604状态极不稳定，此时刻计算机1则利用各传感器所收集电信号而改变磁流变减振器的阻尼系数，通过最佳的变阻尼力在尽可能短的时间内吸收螺旋弹簧501振动时的能量，以加快螺旋弹簧501振动的衰减速度。

如图2、6a和6b所示，齿条903固定于从动板块604的下方，当通过沿保持架905水平方向移动伺服电机901使齿轮902和齿条903啮合时为主动模式，由计算机1发出指令，经由功率放大器8放大电信号传送至伺服电机901；伺服电机901接收指令后精准有效控制齿轮902转速和转矩带动齿条903移动，从动板块604位置也随齿条903移动而发生改变；基准板块603对应于齿条903相应位置有第二通孔906，当齿条903带动从动板块604移动时，齿条903可穿过通孔906而上下移动，从而增加齿条903可移动范围；在此工作模式时激励由伺服电机901直接精准控制，螺旋弹簧501对从动板块604的工况影响较小，所以该工况下磁流变减振器已无需提供可控性强的变阻尼力，此时磁流变减振器为一普通阻尼。

如图1和2所示，当该平台为主动或半主动模式时，若磁流变减振器未遵守以上工作形式提供可控性强的变阻尼力，则说明该平台半主动或主动模式控制算法存在缺陷，反之有效。

如图2和5所示，该平台工作时，两个第一位移传感器606和第二位移传感器609上的第一牵引装置607和第二牵引装置610自动转动使得缠绕的线拉直；由于基准板块603固定，所以当从动板块604受到激励时，两个位移传感器只有第二位移传感器609移动，第一牵引装置607和第二牵引装置610也随第二位移传感器609移动而转动；绕牵引装置缠绕的第一根线608和第二根线612的长度也随之发生变化；计算机1通过第一牵引装置607和第二牵引装置610的转动圈数以及周长，计算得出第一根线608和第二根线612的长度变化，从而获得从动板块604和物块402的绝对位移，加速传感器611记录从动板块604的加速度。

如图2、7所示，当物块402随从动板块604移动时，在零刚度结构4作用下，使物块402在任意时刻相对于从动板块604始终处于平衡状态；当零刚度结构4随从动板块604移动时，力传感器405根据螺旋弹簧406形变记录物块402所受力大小，即时将所得数据经由采集卡2传送至计算机1，同时计算机1根据胡克定律获得物块402绝对位移的理论值，将此绝对位移数据与第一位移传感器606和第二位移传感器609所测得数据比较，若数据偏差较小则说明该零刚度结构合理有效，反之无效。

本实施例在工作时，利用各传感器所测量的信号，经由控制算法分别确定磁流变减振器的阻尼和伺服电机输出的转矩；通过半主动/主动切换装置可分别验证控制算法的有效性；根据传感器所测量的数据，验证零刚度结构的合理性。该平台结构紧凑，占地面积小，控制精度高，教学实验成本低，便于各大高校科研教学。