半主动执行器的四象限输出特性实现方法

摘要

本发明公开了一种半主动执行器的四象限输出特性实现方法，是将两个次级半主动执行器分别与运动反向机构相连，使得第一次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相同，第二次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相反，再通过调节两个次级半主动执行器的输出力，实现所述半主动执行器的输出特性在四个象限内实时、连续调节。本发明能使两个次级半主动执行器合力的大小和方向发生改变，从而使得结构简单、成本更低、耗能更低的半主动执行器具有与主动执行器一样的四象限实时、连续输出可调特性。

权利要求

1.一种半主动执行器的四象限输出特性实现方法，其特征是，所述半主动执行器是由第一次级半主动执行器、第二次级半主动执行器和运动反向机构组成，并按如下步骤进行：步骤1、将两个次级半主动执行器分别与所述运动反向机构相连，使得所述第一次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相同，所述第二次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相反；以与激励速度方向相同的输出力作为正向力，以与所述激励速度方向相反的输出力作为反向力；且所述正向力和反向力的合力为所述半主动执行器的输出力；

步骤2、分别调节两个次级半主动执行器的输出力大小，使得所述半主动执行器的输出特性分别在四个象限内实现实时、连续调节；

若所述激励速度为正时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述正向力大于反向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相同，从而实现第一象限内的实时、连续调节；

若所述激励速度为负时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述反向力大于正向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相反，从而实现第二象限内的实时、连续调节；

若所述激励速度为负时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述正向力大于反向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相同，从而实现第三象限内的实时、连续调节；

若所述激励速度为正时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述反向力大于正向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相反，从而实现第四象限内的实时、连续调节。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征是：所述第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为磁流变执行器。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征是：所述第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为电流变执行器。

4.根据权利要求1所述的实现方法，其特征是：所述第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为可调阻尼式执行器。

说明书

半主动执行器的四象限输出特性实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用半主动执行器实现主动执行器输出特性的实现方法，特别是一种半主动执行器的四象限输出特性实现方法。技术背景

[0002] 如何将振动和冲击的不利影响降至最低，控制系统执行器的性能显得至关重要。同时，在工程应用中，执行器的成本与能耗也是衡量其应用前景的重要指标。根据执行器在工作过程中有无能量输入可划分为被动式、主动式和半主动式。被动式执行器产生的是被动力，由于自身参数不能调节，因此只能在特定的工况下实现减振效果。主动式执行器可以产生主动可控的作用力，并且作用力的大小和方向均可调节，即具有四象限调节特性。基于主动执行器的主动系统可以实现任何工况下理想的减振效果，但高昂的成本和能耗限制了它的广泛应用。半主动式执行器介于被动式执行器与主动式执行器之间，具有参数可调、能耗少、成本低等优点，具有广泛的应用前景。就目前市场上所具有的半主动执行器件，虽然可以通过改变自身参数来调节作用力的大小，但方向却无法控制。例如半主动阻尼器可以通过改变阻尼系数来调节阻尼力，但阻尼力的方向只能与速度成正比。即速度为正方向，则阻尼力为正方向；反之，速度为负方向，阻尼力为负方向。也就是说，如图2a所示，在“力-速度”图中，只能实现第一和第三象限的调节，而不具备如主动式执行器那样的四象限输出特性，从而影响了半主动系统的减振性能。

发明内容

[0003] 针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种半主动执行器的四象限输出特性实现方法，以期通过调节两个与运动反向机构相连的次级半主动执行器的输出力，使两个次级半主动执行器合力的大小和方向发生改变，从而使得半主动执行器具有与主动执行器一样的四象限实时、连续输出可调特性。

[0004] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0005] 本发明一种半主动执行器的四象限输出特性实现方法的特点是，所述半主动执行器是由第一次级半主动执行器、第二次级半主动执行器和运动反向机构组成，并按如下步骤进行：

[0006] 步骤1、将两个次级半主动执行器分别与所述运动反向机构相连，使得所述第一次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相同，所述第二次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相反；以与激励速度方向相同的输出力作为正向力，以与所述激励速度方向相反的输出力作为反向力；且所述正向力和反向力的合力为所述半主动执行器的输出力；

[0007] 步骤2、分别调节两个次级半主动执行器的输出力大小，使得所述半主动执行器的输出特性分别在四个象限内实现实时、连续调节；

[0008] 若所述激励速度为正时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述正向力大于反向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相同，从而实现第一象限内的实时、连续调节；

[0009] 若所述激励速度为负时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述反向力大于正向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相反，从而实现第二象限内的实时、连续调节；

[0010] 若所述激励速度为负时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述正向力大于反向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相同，从而实现第三象限内的实时、连续调节；

[0011] 若所述激励速度为正时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使所述反向力大于正向力，即所述合力的方向与激励速度的方向相反，从而实现第四象限内的实时、连续调节。

[0012] 本发明所述的实现方法的特点也在于：

[0013] 所述第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为磁流变执行器。

[0014] 所述第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为电流变执行器。

[0015] 所述第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为可调阻尼式执行器。

[0016] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0017] 1.本发明的具有四象限输出特性的半主动执行器是由两个次级半主动执行器与一个运动反向机构组成，通过将两个次级半主动执行器与运动反向机构相结合，实现了主动式执行器所具有的四象限实时、连续输出特性，使传统半主动执行器的性能大大提升；

[0018] 2.本发明采用运动反向机构使两个次级半主动执行器输出力的方向始终相反，通过对两个次级半主动执行器输出力的调节，可以使它们的合力的方向与激励速度的方向相同或相反，即无论激励速度为正还是为负，本发明的半主动执行器的输出力的大小和方向均可调节，从而实现了半主动执行器于“力-速度”图中的四象限输出特性，没有额外的能量输入，较之主动式执行器，能耗大大降低；

[0019] 3.本发明的实现方法可以基于磁流变或电流变效应，使具有四象限输出特性的半主动执行器具有连续可调、响应快、可调范围宽等特点；

[0020] 4.本发明的实现方法相对简单、体积较小、成本较低，更有利于工程应用。

附图说明

[0021] 图1为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，运动反向机构采用齿轮齿条形式的原理图；

[0022] 图1a为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，运动反向机构采用滚珠丝杆形式的原理图；

[0023] 图2a为传统半主动执行器的“力-速度”特性图；

[0024] 图2b为本发明的具有四象限输出特性的半主动执行器的“力-速度”特性图；

[0025] 图3a为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，运动反向机构采用齿轮齿条形式的总体结构示意图；

[0026] 图3b为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，运动反向机构采用齿轮齿条形式的纵截面示意图；

[0027] 图4为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，采用的单出杆内旁通式磁流变阻尼器的结构示意图；

[0028] 图5为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，所采用的双出杆内旁通式磁流变阻尼器的结构示意图；

[0029] 图6为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，所采用的单出杆磁流变阻尼器的结构示意图；

[0030] 图7为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，所采用的电流变执行器的结构示意图；

[0031] 图8为本发明的半主动执行器的四象限输出特性实现方法中，所采用的可调阻尼式执行器的结构示意图；

[0032] 图中标号：101第一吊耳，102第一气囊，103第一活塞外壳，104第一磁流变液，105第一活塞，106第一线圈，107第一铜环，108第三端盖，109第一密封圈，110第一骨架油封，111第二铜环，112第一活塞杆，113第一齿条，114第二吊耳，115第一端盖，116第二气囊，117第二磁流变液，118第二活塞，119第二线圈，120第二活塞杆，121第二活塞外壳，122第三铜环，123第二骨架油封，124第二密封圈，125第二端盖，126第四铜环，127外壳，128第二齿条，
129齿轮，200单出杆内旁通式磁流变阻尼器，201活塞杆，202外壳，203端盖，204活塞芯，205活塞，206气囊，300双出杆内旁通式磁流变阻尼器，301活塞杆，302外壳，303活塞，304上端盖，305活塞芯，306下端盖，400单出杆磁流变阻尼器，401气囊，402活塞，403外壳，404活塞杆，500电流变执行器，501外壳，502第一电极，503活塞，504端盖，505第二电极，506活塞杆，
600 CDC执行器，601第一单向阀，602第一阻尼阀，603活塞，604第二单向阀，605活塞杆，606第二阻尼阀，607可控阻尼阀。

具体实施方式

[0033] 本实施例中，具有四象限输出特性的半主动执行器是由第一次级半主动执行器、第二次级半主动执行器和运动反向机构组成，其中，所使用的次级半主动执行器可使用多种形式的半主动执行器替换，如磁流变执行器，电流变执行器，可调阻尼式(CDC)执行器等；运动反向机构如图1和图1a所示，可以采用齿轮齿条形式或滚珠丝杆形式。具体的说，一种半主动执行器的四象限输出特性实现方法是按如下步骤进行：

[0034] 步骤1、将两个次级半主动执行器分别与运动反向机构相连，使得第一次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相同，第二次级半主动执行器的输出力与激励速度方向相反；以与激励速度方向相同的输出力作为正向力，以与激励速度方向相反的输出力作为反向力；且正向力和反向力的合力为半主动执行器的输出力；

[0035] 步骤2、分别调节两个次级半主动执行器的输出力大小，使得半主动执行器的输出特性分别在四个象限内实现实时、连续调节，具体地说，如图2b所示，四象限输出特性的调节方法是：

[0036] 若激励速度为正时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使正向力大于反向力，即合力的方向与激励速度的方向相同，从而实现第一象限内的实时、连续调节；

[0037] 若激励速度为负时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使反向力大于正向力，即合力的方向与激励速度的方向相反，从而实现第二象限内的实时、连续调节；

[0038] 若激励速度为负时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使正向力大于反向力，即合力的方向与激励速度的方向相同，从而实现第三象限内的实时、连续调节；

[0039] 若激励速度为正时，调节两个次级半主动执行器的输出力，使反向力大于正向力，即合力的方向与激励速度的方向相反，从而实现第四象限内的实时、连续调节。

[0040] 具体实施中，第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器为磁流变执行器。具体地说，可以采用单出杆内旁通式磁流变阻尼器，如图4所示，由活塞杆201，外壳202，端盖203，活塞芯204，活塞205，气囊206等组成，也可以采用图5所示的双出杆内旁通式磁流变阻尼器，由活塞杆301，外壳302，活塞303，上端盖304，活塞芯305和下端盖306等组成，也可以采用图6所示的单出杆磁流变阻尼器，由气囊401，活塞402，外壳403和活塞杆404等组成，均通过调节线圈电流调节磁流变液的粘度，从而实现阻尼力的控制；

[0041] 具体实施中，第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器还可以为电流变执行器。具体地说，可以采用如图7所示的电流变阻尼器，由外壳501，第一电极502，活塞503，端盖504，第二电极505和活塞杆506等组成，通过改变电场实现电流变液粘度的变化，从而调节阻尼力的大小。

[0042] 具体实施中，第一次级半主动执行器和/或第二次级半主动执行器还可以为可调阻尼式执行器。具体地说，采用如图8所示的可调阻尼式减振器，由第一单向阀601，第一阻尼阀602，活塞603，第二单向阀604，活塞杆605，第二阻尼阀606和可控阻尼阀607组成，通过可控阻尼阀调节液体通道的截面积，从而实现阻尼力的调节。

[0043] 在本实施例中，第一次级半主动执行器与第二次级半主动执行器均采用磁流变阻尼器。如图3a和图3b所示，具有四象限输出特性的半主动执行器由第一磁流变阻尼器、第二磁流变阻尼器和运动反向机构组成；第一磁流变阻尼器由第一活塞杆112，第一活塞105，第一线圈106，第一活塞外壳103，第一气囊102，第一端盖115，第二端盖125，第三端盖108，第一磁流变液104，第一铜环107，第二铜环111，第一骨架油封110，第一密封圈109和第一吊耳101组成，第一活塞杆112与第一活塞105同轴固定；第一线圈106经过第一活塞杆112的内部通孔并缠绕于第一活塞105的环形槽中；第一磁流变液104充满于第一活塞外壳103内部；第一气囊102位于第一活塞外壳103底部，用于补偿第一活塞杆112进出第一活塞外壳103过程中产生的体积变化；第一铜环107和第二铜环111分别与第一活塞杆112同轴装配，使第一活塞105与第一活塞外壳103始终保持同轴；第一骨架油封110位于第一铜环107与第二铜环
111之间并与第一活塞杆112同轴装配，避免第一磁流变液104的泄露；第一密封圈109装配在第三端盖108与第一活塞外壳103之间，保证第一活塞外壳103内部的密封性；第一端盖
115分别与第一活塞外壳103的底部以及第一吊耳101固连；

[0044] 第二磁流变阻尼器由第二活塞杆120，第二活塞118，第二线圈119，第二活塞外壳121，第二气囊116，第一端盖115，第二端盖125，第三端盖108，第二磁流变液117，第三铜环
122，第四铜环126，第二骨架油封123和第二密封圈124组成，第二活塞杆120与第二活塞118同轴固定；第二线圈119经过第二活塞杆120的内部通孔并缠绕于第二活塞118的环形槽中；
第二磁流变液117充满于第二活塞外壳121内部；第二气囊117位于第二活塞外壳121底部，用于补偿第二活塞杆120进出第二活塞外壳121过程中产生的体积变化；第三铜环122和第四铜环126分别与第二活塞杆120同轴装配，使第二活塞118与第二活塞外壳121始终保持同轴；第二骨架油封123位于第三铜环122与第四铜环126之间并与第二活塞杆120同轴装配，避免第二磁流变液117的泄露；第二密封圈124装配在第三端盖108与第二活塞外壳121之间，保证第二活塞外壳121内部的密封性；第二活塞外壳121的底部与第一端盖115固连；

[0045] 运动反向机构由第一齿条113，第二齿条128，齿轮129，外壳127和第二吊耳114组成，第一齿条113与第一活塞杆112同轴固连，第二齿条128与第二活塞杆120同轴固连，齿轮129位于第一齿条113和第二齿条128之间，分别与第一齿条113和第二齿条128啮合；外壳
127与第二端盖125同轴固连；运动反向机构使得第二磁流变阻尼器产生的力的方向始终与激励速度方向相反；通过分别调节两个磁流变阻尼器中的线圈电流，使其合力的大小连续变化，并且使合力的方向与激励速度的方向相同或相反，从而实现了半主动执行器的输出特性在四个象限内的实时、连续调节。