双超越离合器式电磁馈能阻尼器原型机试验测试与分析

    馈能阻尼器是一种新式的阻尼器结构，这种阻尼器可以将原本被传统阻尼器耗散掉的机械能回收［１－４］。在过去的２０年中，学者们提出了多种馈能阻尼器的结构形式［５－７］，同时也提出了多种控制及优化方案［８－１０］。但在目前所报道过的电磁馈能阻尼器研究中，多数设计为“兼时”半主动和主动阻尼器，即电磁馈能阻尼器只能在被动模式下回收振动能量，当阻尼器需要主动或半主动控制时则要消耗能量。这样就使得所回收的振动能量又被阻尼器消耗掉，同时还需要一套相对复杂的控制算法及能量管理算法。

    本文在对电磁馈能阻尼器的研究过程中设计了一套新式的双超越离合器式馈能阻尼器结构，该结构由滚珠丝杠、两个超越离合器、一套行星齿轮机构、发电机及充电电路系统构成。这种馈能阻尼器可以将沿阻尼器的双向直线运动转变为发电机转子的单向转动，不仅有利于改善发电机的工作环境，而且还可以在被动模式下提供一系列优异的阻尼响应特性，如：非对称阻尼特性、“ｈｉｇｈ－ｌｏｗ”半主动阻尼器特性和“ｏｎ－ｏｆｆ”半主动阻尼特性等。

    １　双超越离合器式电磁馈能阻尼器

    电磁馈能阻尼器的结构及其在压缩行程各部件的相对运动关系如图１所示。首先，滚珠丝杠将沿阻尼器的双向直线运动转变为双向的转动。在压缩行程，下超越离合器结合，使发电机转子通过齿圈与丝杠直接相连。此时上超越离合器处于分离状态，行星轮机构空转，图中箭头代表机械部件空转方向。拉伸行程与之类似，上超越离合器结合，发电机转子通过行星轮机构与丝杠相连。因此，确保了在压缩和拉伸行程中，发电机转子始终沿逆时针方向转动。与该阻尼器相关的转速、扭矩、阻尼力计算公式、阻尼特性及影响因素、阻尼器隔振性能等均在文献［１１］中有详细的介绍，此处不再重复。

    ２　原型机及测试方法

    在双超越离合器式馈能阻尼器设计及理论分析的基础上，作者试制了该阻尼器的原型机。其中，太阳轮和行星轮的齿数比分别设置为ｎｓ＝２和ｎｐ＝４，丝杠的导程设置为２５ｍｍ，通过计算所得的机械传动结构等效转动惯量为Ｊｅ＝０．００５９ｋｇ·ｍ２。阻尼器原型机被装载在液压激振器和固定横梁之间，阻尼器上端和横梁间通过力传感器相连，如图２所示。试验所采用的激励信号为具有恒定频率和幅值的位移谐波信号。在不同激励下，对阻尼器的力－速度和力－位移响应数据进行了采集和分析。位移激励信号的幅值被设定在２．５～２５ｍｍ（０．１～１ｉｎｃｈ。因为在试验中，当激励信号的频率高过３Ｈｚ以后，受较大转动惯量的影响，阻尼器响应力将接近某些部件的受力极限，因此激励信号的频率被设定为极低频率至３Ｈｚ之间。此外，试验还对极低频率（０．０８８Ｈｚ）和极低位移（２．５ｍｍ）激励下的响应特性进行了分析，以确定阻尼器结构的摩擦力，在这种情况下由于加速度极低，因此转动惯量分力可以被忽略。试验中所用的馈能阻尼器原型机并未装载发电机及其电枢电路，可以简化系统响应力的成分，有助于对其机械结构和转动惯量分力进行分析。