车辆悬架用液压式惯容器结构设计
车辆悬架用液压式惯容器结构设计[20191208101154]
摘 要
本文首先介绍了惯容器的发展情况，以及国内外的研究现状和未来的趋势方向；然后简要介绍了惯容器的主要结构及工作原理，其中包括机械式惯容器、液压式惯容器和扭转惯容器；最后简述了液压式惯容器的特点和优点以及它的工作原理和设计原理，并通过查阅相关设计手册和文献资料，着重对一种液压式惯容器进行设计和参数计算，设计计算完成后运用计算机辅助设计工具进行图纸的绘制。
关键字:惯容器悬架液压结构设计
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1. 绪 论 1
1.1 蓄能悬架的研究意义 1
1.2 惯性器的发展概况 1
1.3 课题发展的趋势 4
2. 惯容器的主要结构及工作原理 5
2.1 机械式惯容器 5
2.2 以封装质量惯性为特征的惯容器 6
2.3 扭转惯容器 6
3. 液压式惯容器的工作原理和设计原理 8
3.1 液压式惯容器 8
3.1.1 液压式惯容器的特点 8
3.1.2 液压式惯容器的优点 8
3.2 液压式惯容器的基本工作原理和设计原理 8
4. 液压式惯容器的设计 11
4.1 液压缸主要尺寸参数选择及校核 11
4.1.1 液压缸主要参数的选择 13
4.1.2 单活塞杆液压缸的校核 13
4.1.3 缸筒壁厚的校核 14
4.1.4 缸筒螺纹连接部分的校核 16
4.1.5 缸筒与缸底焊接处的校核 16
4.1.6 活塞杆的校核 17
4.2 液压式惯容器结构参数的选择 18
4.2.1 缸筒 19
4.2.2 活塞 19
4.2.3 空心活塞杆 20
4.2.4 小活塞杆 21
4.2.5 导向套 21
4.2.6 缸底 22
4.2.7 缸盖 23
4.2.8 吊耳 23
4.2.9 大液压缸耳轴 24
4.2.10 质量块 24
4.3 液压式惯容器设计的相关要求及说明 24
结 语 26
参考文献 27
致 谢 28
1. 绪 论
1.1 蓄能悬架的研究意义
车轮和车架中间所有传力联接装置的总称是车辆悬架，它是汽车行驶系统中间的一个非常主要的组成元素，它的属性在许多方面决定了汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定性。汽车的操纵稳定性、平顺性、轮胎接地性等重要属性都受控于汽车悬架系统影响。悬架系统中弹性元件的主要用途是提供弹性力，减轻路面对车辆的冲击振动，提高车辆行驶平顺性[1]。
液压式惯容器车用悬架设计是与国际同步且属于国际前沿的研究课题之一，其理论基础非常广泛，它是机械与电子学科有机融合的边缘学科，必将促进相关学科的深入研究，不仅具有较高的学术价值，而且有着广阔的产业化前景。所以，必须加大液压式惯容器车用悬架及其相关技术的研究与发展脚步，进一步就研究与开拓的重点和难点进行攻破，自主研发液压式惯容器车用悬架技术，使液压式惯容器车用悬架匹配理论、方法和应用研究取得根本性进展，其理论研究及开发成果有益于培养国内在车辆底座组件控制领域关键技术上的独立开发能力，对未来国家汽车工业的良好发展和市场竞争必定具有相当重要战略意义和深远的影响，还能为研究发展悬架隔振性能提供了广阔的空间，研究基于新结构体系的悬架各种组合型式，探索新的悬架结构，必将进一步拓展经典隔振理论，从而大面积改良悬架隔振性能，提高车辆综合特性。本课题与车辆的安全、环保、节能三大主题与发展趋势相吻合，是对我国经济发展有着重要意义和广阔应用前景的最新理论与应用技术研究，必将大大地促进汽车设计技术的发展，增强我国汽车在全世界市场上的竞争力。车辆悬架一直是国内外专家、车辆工程师研究的重心和热点，故不断创新悬架设计技术具有重要的应用价值和深远意义。
1.2 惯性器的发展概况
2008年，《汽车运动》上的两篇的文章透露了一种名称为“J-阻尼器”（如图1.1）的新的机械悬挂组件，该组件已进入一级方程式赛车并在控制操作和轮胎抓地力方面取得了显著的效果。自第一次在2007年一级方程式“间谍丑闻”中出现以来，很多人都在猜测“J -阻尼器”到底是一种什么结构的元件。文章同时透露，“J -阻尼器”实际上是一个惯性蓄能器，其起源是剑桥大学机械和电路的学术研究[2]。
图1.1 应用 “J-阻尼器”的F1赛车悬架[2]
2001年英国剑桥大学学者Smith发明了一种机械装置[3]，该装置具有两个端点，其中一个端点可相对于另一个运动，将它连接入机械系统中可用来控制机械力。其中作用力的大小正比于两个支点上的相对加速度，这个比例不一定是常数，它是可随着各种因素而改变的。由于该装置可以将振动冲击能量作为动能储存于飞轮之中，又称为机械惯容器。机械式惯容器包括齿轮齿条式惯容器和滚珠丝杠式惯容器两种实现形式，图1.2 给出了其实物图。
二十一世纪初，Smith将机械惯性容器应用于车辆悬架系统，创建了几种简单的被动悬架模型结构，每一种模型不多于一个惯容器和一个阻尼器，在此依据上探索了应用惯容器后悬架的发展优势之处。研究表明，在悬架上应用惯容器，能改善车辆的乘坐舒适性及行驶安全性[4]。有了惯容器的初期想法后，Smith教授进行了一些简单计算，计算的最终表明带有惯容器的车辆悬挂的潜在性能优势可能会有足够的利益驱动一支F1车队进行研发投资。剑桥大学在此装置上申请了专利，然后满怀信心地找到迈凯轮车队。迈凯轮车队表示有兴趣尝试一下这项专利并与剑桥大学签署了一项协议，该协议同意剑桥大学近期在F1方程式领域内拥有独家合作权。惯容器经过了迅速发展的一段时间后，第一次在2005年西班牙大奖赛莱科宁的赛车上现身，并为迈凯轮车队取得了胜利[5]。F1应用惯性蓄能器后可以使用较硬的悬挂，从而提高抓地力，同时在空气动力学方面，汽车在行驶速度较高情况下有比较不错的表现。
(a) 齿轮齿条式惯性蓄能器 (b) 滚珠—丝杠式惯性蓄能器（去除盖子和飞轮）
图1.2 机械惯性蓄能器
但Smith教授仅仅研究了其中一部分结构，由弹簧、阻尼器和惯容器三种基本部件组成的构件有许多种类，还有很多结构值得去探索。
2006年台湾学者Wang Fucheng将惯容器应用于火车的悬架，对火车的乘坐舒适性、系统动态性能及行驶稳定性有了大幅度的改善[6]。
除台湾外，国内蓄能悬架的研究才刚刚起步，具有广阔的发展空间。
江苏大学于2007年开始进行将惯容器应用于车辆悬架的相关研究。通过网络分析与综合，提出了一种两级串联式悬架，提升了悬架的整体性能[7-9]。
2010年，江浩斌、耿建涛等运用计算机作图软件建立了机械式惯容器的三维空间实体模型，运用接口程序 Mech /Pro将惯容器三维模型导入到动力学仿真软件 ADAMS中，与弹性元件、阻尼器连接，构建了1/4车辆蓄能悬架虚拟样机模型，从而得出蓄能悬架能够降低车身垂直振动加速度,提高了车辆行驶稳定性[9]。
2012年2月，聂佳梅等通过对惯容器元件模型的分析，利用杠杆机构和液力发生装置，创建了以封装质量惯性为特征的惯容器装置；同时，还提出了扭转惯容器这一概念，并找出了扭转惯容器的实现构件，在转动机械与电子网之间建立起了严格的对应关系；并从理论上证明了这两类装置符合惯容器元件模型的需求，指出了装置的本质特性，为惯容器构件装置的设计提供了基础的设计原理和方法[10-12]。
2012年3月，陈龙、张孝良等进行了2级串联式ISD悬架频响特性分析与实验，得出了两个重要结论：传统悬架和 ISD 悬架高频频响特性基本一致，ISD 悬架改善了车辆的低频频响特性。ISD 悬架使车身共振频率从1.3 Hz 降到了0.8 Hz，车身加速度、轮胎动载荷及悬架动行程三者增益的低频共振峰值分别减小了52%，50%，15%，抑制了车身共振，能够减小车身振动，提高车辆乘坐舒适性；ISD 悬架的第一级主要影响高频性能，第二级 则着重影响低频性能，正是这级改善了车辆的低频频响特性[13-14]。
2012年4月，陈国涛等进行了“惯容器-弹簧-阻尼”悬架系统正实综合研究,同样得出了两个重要结论：根据正实引理将求解悬架结构的问题转化为求解正实鲁棒控制器的问题，可以囊括众多的车架形式，因此得到的结果更具有大众性；利用网络综合的方法得到了两级弹簧串联式的ISD悬架，与传统悬架系统相比，两级串联式ISD悬架能够明显改善车辆低频段的乘坐舒适性和行驶安全性[15]。
1.3 课题发展的趋势
首代惯容器是齿轮齿条惯容器，它设计简单，具有较大的承载能力，但齿轮在啮合时齿间的摩擦力较大，而且齿间存在背隙，由于背隙的存在，惯容器在高速旋转变换方向时会导致迟滞现象和相位的滞后，更严重的是会产生冲击噪声，然而，如果尝试通过调动中心距来减小背隙时，却又会增大齿间的摩擦力，反之亦然，所以无法同时消除摩擦力与背隙。滚珠丝杠式惯容器属第二代惯容器技术，这种惯容器不仅摩擦小，还可以通过预紧来消除滚珠丝杠副的背隙，其在很大程度上能够解决相位滞后和噪声，因此，已经开始应用于F1悬架。目前发展的液力惯容器的特点是承载力大，可以应用于大型车辆及建筑隔振，是下一代惯容器的发展方向，本课题也将采用这种惯容器进行结构设计。
2. 惯容器的主要结构及工作原理
2.1 机械式惯容器
机械式惯容器包括齿轮齿条式和滚珠丝杠式。
齿轮齿条惯容器结构如图 2.1a，工作原理如图 2.1b 所示。当等大反向的力 f 沿齿条方向施加于两吊耳端点时，端点 II 相对于端点 I 做直线运动，产生相对位移，由齿条驱动小齿轮 I、大齿轮和小齿轮 II 旋转，从而驱动飞轮旋转，由此完成对飞轮惯性的封装。
(a) 齿轮齿条惯容器结构图(去除上盖) ( b) 齿轮齿条惯容器工作原理图
图2.1 齿轮齿条式惯容器结构及工作原理图[17]
齿轮齿条式惯容器摩擦力较高且齿轮与齿轮接触间存在背隙问题，在齿轮高速转换运动方向时，齿轮间的背隙将造成系统迟滞或相位落后，为解决这个缺陷，有了滚珠丝杠式惯容器。
滚珠丝杠惯容器结构如图2.2，工作原理如图2.3 所示，当等大反向的力 f 沿轴向施加于两吊耳中心时，吊耳 B 相对于吊耳 A 做直线运动，产生相对位移，螺母和丝杠将直线运动转化为丝杠的旋转运动，丝杠驱驶飞轮旋转，由此完成对飞轮惯性的封装[17]。
图2.2 滚珠丝杠惯容器结构图[17]
图2.3 滚珠丝杠惯容器工作原理图[17]
2.2 以封装质量惯性为特征的惯容器
以封装质量惯性为特征的惯容器包括液压式惯容器和杠杆质量惯容器，而本文主要设计的就是液压式惯容器，其工作原理将在下一章单独说明。
杠杆质量惯容器如图2.4，当等大反向的力f 垂直于杠杆施加于两支撑时，杠杆带动质量块摆动，由此实现对质量惯性的封装。需要指出的是，只有在杠杆摆角很小的情况下，力 f 才近似垂直于杠杆，惯容系数 b 的值才接近恒定，因此杠杆质量惯容器是非线性元件，只有在特定条件下才把它看成是线性元件。
图2.4 杠杆质量惯容器工作原理图[17]
2.3 扭转惯容器
扭转惯容器包括少齿差行星齿轮扭转惯容器和摆线钢球扭转惯容器。
少齿差行星齿轮扭转惯容器工作原理如图2.5所示。当等大反向的转矩作用于壳体和转轴时，转轴相对于壳体产生角位移，接着少齿差行星齿轮传动机构便开始运作，最终驱驶飞轮转动。
1.壳体 2.转轴 3.齿轮a 4.双联内齿轮 5.转臂 6.齿轮b 7.飞轮
图2.5 少齿差行星齿轮扭转惯容器工作原理图[17]
摆线钢球扭转惯容器结构如图2.6a ，工作原理如图2.6b 所示。摆线钢球扭转惯容器包括摆线钢球减速器和飞轮两部分，其中飞轮与减速器的输入轴连接，而减速器的输出轴和壳体则作为元件的转矩输入端。当等大反向的转矩作用于减速器的输出轴和壳体时，输出轴相对于壳体产生角位移，摆线钢球减速器开始工作，最终驱驶飞轮转动。
图2.6摆线钢球扭转惯容器结构及工作原理图[17]
摆线钢球扭转惯容器与图2.5所示的少齿差行星齿轮扭转惯容器工作原理相同，实际上，图2.6中的摆线钢球传动就是图2.5中少齿差行星传动钢球化的结果[16]。摆线钢球扭转惯容器有摩擦小、背隙基本可以忽略等优点。
3. 液压式惯容器的工作原理和设计原理
下面简要介绍液压式惯容器的特点和优点。
3.1 液压式惯容器
3.1.1 液压式惯容器的特点
1.大液压缸、小液压缸和质量块组成液压式惯容器。大液压缸内的两个腔与小液压缸内的两个腔是相互连通的，质量块与小液压缸活塞杆的端部相连，大液压缸内的活塞运动通过油液带动小液压缸内的活塞运动，最终驱驶质量块产生平动。
2. 液压缸的作用是将油液的压力能转变为机械能。
3.1.2 液压式惯容器的优点
1. 可以用来承载高压，还可以消除背隙的问题。
2. 工程上液压技术已相当成熟，所以很容易制造出比齿轮齿条惯容器成本更低的液力惯容器。
3.2 液压式惯容器的基本工作原理和设计原理
液压式惯容器就是由液力发生器加质量块所构成的。液压式惯容器工作原理如图3.1所示。当等大反向的力 f 沿轴向施加于两吊耳中心时，吊耳 II 相对于吊耳 I 做直线运动，产生相对位移，活塞杆推动大活塞移动，挤压油液从大液压缸向小液压缸流动，从而推动小活塞移动，最终驱动质量块平动，由此实现对质量惯性的封装[17]。
图3.1 液力发生式惯容器工作原理图
液压式惯容器设计原理如图3.2所示。液压式惯容器利用液力发生装置，而液力发生装置本质上是一种力放大机构，它还利用了质量的惯性，并且液压式惯容器具有独立、自由的两个端点。
图3.2 惯容器装置基本设计原理图
摘 要
本文首先介绍了惯容器的发展情况，以及国内外的研究现状和未来的趋势方向；然后简要介绍了惯容器的主要结构及工作原理，其中包括机械式惯容器、液压式惯容器和扭转惯容器；最后简述了液压式惯容器的特点和优点以及它的工作原理和设计原理，并通过查阅相关设计手册和文献资料，着重对一种液压式惯容器进行设计和参数计算，设计计算完成后运用计算机辅助设计工具进行图纸的绘制。
关键字:惯容器悬架液压结构设计
查看完整论文请+Q: 351916072 目 录
1. 绪 论 1
1.1 蓄能悬架的研究意义 1
1.2 惯性器的发展概况 1
1.3 课题发展的趋势 4
2. 惯容器的主要结构及工作原理 5
2.1 机械式惯容器 5
2.2 以封装质量惯性为特征的惯容器 6
2.3 扭转惯容器 6
3. 液压式惯容器的工作原理和设计原理 8
3.1 液压式惯容器 8
3.1.1 液压式惯容器的特点 8
3.1.2 液压式惯容器的优点 8
3.2 液压式惯容器的基本工作原理和设计原理 8
4. 液压式惯容器的设计 11
4.1 液压缸主要尺寸参数选择及校核 11
4.1.1 液压缸主要参数的选择 13
4.1.2 单活塞杆液压缸的校核 13
4.1.3 缸筒壁厚的校核 14
4.1.4 缸筒螺纹连接部分的校核 16
4.1.5 缸筒与缸底焊接处的校核 16
4.1.6 活塞杆的校核 17
4.2 液压式惯容器结构参数的选择 18
4.2.1 缸筒 19
4.2.2 活塞 19
4.2.3 空心活塞杆 20
4.2.4 小活塞杆 21
4.2.5 导向套 21
4.2.6 缸底 22
4.2.7 缸盖 23
4.2.8 吊耳 23
4.2.9 大液压缸耳轴 24
4.2.10 质量块 24
4.3 液压式惯容器设计的相关要求及说明 24
结 语 26
参考文献 27
致 谢 28
1. 绪 论
1.1 蓄能悬架的研究意义
车轮和车架中间所有传力联接装置的总称是车辆悬架，它是汽车行驶系统中间的一个非常主要的组成元素，它的属性在许多方面决定了汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定性。汽车的操纵稳定性、平顺性、轮胎接地性等重要属性都受控于汽车悬架系统影响。悬架系统中弹性元件的主要用途是提供弹性力，减轻路面对车辆的冲击振动，提高车辆行驶平顺性[1]。
液压式惯容器车用悬架设计是与国际同步且属于国际前沿的研究课题之一，其理论基础非常广泛，它是机械与电子学科有机融合的边缘学科，必将促进相关学科的深入研究，不仅具有较高的学术价值，而且有着广阔的产业化前景。所以，必须加大液压式惯容器车用悬架及其相关技术的研究与发展脚步，进一步就研究与开拓的重点和难点进行攻破，自主研发液压式惯容器车用悬架技术，使液压式惯容器车用悬架匹配理论、方法和应用研究取得根本性进展，其理论研究及开发成果有益于培养国内在车辆底座组件控制领域关键技术上的独立开发能力，对未来国家汽车工业的良好发展和市场竞争必定具有相当重要战略意义和深远的影响，还能为研究发展悬架隔振性能提供了广阔的空间，研究基于新结构体系的悬架各种组合型式，探索新的悬架结构，必将进一步拓展经典隔振理论，从而大面积改良悬架隔振性能，提高车辆综合特性。本课题与车辆的安全、环保、节能三大主题与发展趋势相吻合，是对我国经济发展有着重要意义和广阔应用前景的最新理论与应用技术研究，必将大大地促进汽车设计技术的发展，增强我国汽车在全世界市场上的竞争力。车辆悬架一直是国内外专家、车辆工程师研究的重心和热点，故不断创新悬架设计技术具有重要的应用价值和深远意义。
1.2 惯性器的发展概况
2008年，《汽车运动》上的两篇的文章透露了一种名称为“J-阻尼器”（如图1.1）的新的机械悬挂组件，该组件已进入一级方程式赛车并在控制操作和轮胎抓地力方面取得了显著的效果。自第一次在2007年一级方程式“间谍丑闻”中出现以来，很多人都在猜测“J -阻尼器”到底是一种什么结构的元件。文章同时透露，“J -阻尼器”实际上是一个惯性蓄能器，其起源是剑桥大学机械和电路的学术研究[2]。
图1.1 应用 “J-阻尼器”的F1赛车悬架[2]
2001年英国剑桥大学学者Smith发明了一种机械装置[3]，该装置具有两个端点，其中一个端点可相对于另一个运动，将它连接入机械系统中可用来控制机械力。其中作用力的大小正比于两个支点上的相对加速度，这个比例不一定是常数，它是可随着各种因素而改变的。由于该装置可以将振动冲击能量作为动能储存于飞轮之中，又称为机械惯容器。机械式惯容器包括齿轮齿条式惯容器和滚珠丝杠式惯容器两种实现形式，图1.2 给出了其实物图。
二十一世纪初，Smith将机械惯性容器应用于车辆悬架系统，创建了几种简单的被动悬架模型结构，每一种模型不多于一个惯容器和一个阻尼器，在此依据上探索了应用惯容器后悬架的发展优势之处。研究表明，在悬架上应用惯容器，能改善车辆的乘坐舒适性及行驶安全性[4]。有了惯容器的初期想法后，Smith教授进行了一些简单计算，计算的最终表明带有惯容器的车辆悬挂的潜在性能优势可能会有足够的利益驱动一支F1车队进行研发投资。剑桥大学在此装置上申请了专利，然后满怀信心地找到迈凯轮车队。迈凯轮车队表示有兴趣尝试一下这项专利并与剑桥大学签署了一项协议，该协议同意剑桥大学近期在F1方程式领域内拥有独家合作权。惯容器经过了迅速发展的一段时间后，第一次在2005年西班牙大奖赛莱科宁的赛车上现身，并为迈凯轮车队取得了胜利[5]。F1应用惯性蓄能器后可以使用较硬的悬挂，从而提高抓地力，同时在空气动力学方面，汽车在行驶速度较高情况下有比较不错的表现。
(a) 齿轮齿条式惯性蓄能器 (b) 滚珠—丝杠式惯性蓄能器（去除盖子和飞轮）
图1.2 机械惯性蓄能器
但Smith教授仅仅研究了其中一部分结构，由弹簧、阻尼器和惯容器三种基本部件组成的构件有许多种类，还有很多结构值得去探索。
2006年台湾学者Wang Fucheng将惯容器应用于火车的悬架，对火车的乘坐舒适性、系统动态性能及行驶稳定性有了大幅度的改善[6]。
除台湾外，国内蓄能悬架的研究才刚刚起步，具有广阔的发展空间。
江苏大学于2007年开始进行将惯容器应用于车辆悬架的相关研究。通过网络分析与综合，提出了一种两级串联式悬架，提升了悬架的整体性能[7-9]。
2010年，江浩斌、耿建涛等运用计算机作图软件建立了机械式惯容器的三维空间实体模型，运用接口程序 Mech /Pro将惯容器三维模型导入到动力学仿真软件 ADAMS中，与弹性元件、阻尼器连接，构建了1/4车辆蓄能悬架虚拟样机模型，从而得出蓄能悬架能够降低车身垂直振动加速度,提高了车辆行驶稳定性[9]。
2012年2月，聂佳梅等通过对惯容器元件模型的分析，利用杠杆机构和液力发生装置，创建了以封装质量惯性为特征的惯容器装置；同时，还提出了扭转惯容器这一概念，并找出了扭转惯容器的实现构件，在转动机械与电子网之间建立起了严格的对应关系；并从理论上证明了这两类装置符合惯容器元件模型的需求，指出了装置的本质特性，为惯容器构件装置的设计提供了基础的设计原理和方法[10-12]。
2012年3月，陈龙、张孝良等进行了2级串联式ISD悬架频响特性分析与实验，得出了两个重要结论：传统悬架和 ISD 悬架高频频响特性基本一致，ISD 悬架改善了车辆的低频频响特性。ISD 悬架使车身共振频率从1.3 Hz 降到了0.8 Hz，车身加速度、轮胎动载荷及悬架动行程三者增益的低频共振峰值分别减小了52%，50%，15%，抑制了车身共振，能够减小车身振动，提高车辆乘坐舒适性；ISD 悬架的第一级主要影响高频性能，第二级 则着重影响低频性能，正是这级改善了车辆的低频频响特性[13-14]。
2012年4月，陈国涛等进行了“惯容器-弹簧-阻尼”悬架系统正实综合研究,同样得出了两个重要结论：根据正实引理将求解悬架结构的问题转化为求解正实鲁棒控制器的问题，可以囊括众多的车架形式，因此得到的结果更具有大众性；利用网络综合的方法得到了两级弹簧串联式的ISD悬架，与传统悬架系统相比，两级串联式ISD悬架能够明显改善车辆低频段的乘坐舒适性和行驶安全性[15]。
1.3 课题发展的趋势
首代惯容器是齿轮齿条惯容器，它设计简单，具有较大的承载能力，但齿轮在啮合时齿间的摩擦力较大，而且齿间存在背隙，由于背隙的存在，惯容器在高速旋转变换方向时会导致迟滞现象和相位的滞后，更严重的是会产生冲击噪声，然而，如果尝试通过调动中心距来减小背隙时，却又会增大齿间的摩擦力，反之亦然，所以无法同时消除摩擦力与背隙。滚珠丝杠式惯容器属第二代惯容器技术，这种惯容器不仅摩擦小，还可以通过预紧来消除滚珠丝杠副的背隙，其在很大程度上能够解决相位滞后和噪声，因此，已经开始应用于F1悬架。目前发展的液力惯容器的特点是承载力大，可以应用于大型车辆及建筑隔振，是下一代惯容器的发展方向，本课题也将采用这种惯容器进行结构设计。
2. 惯容器的主要结构及工作原理
2.1 机械式惯容器
机械式惯容器包括齿轮齿条式和滚珠丝杠式。
齿轮齿条惯容器结构如图 2.1a，工作原理如图 2.1b 所示。当等大反向的力 f 沿齿条方向施加于两吊耳端点时，端点 II 相对于端点 I 做直线运动，产生相对位移，由齿条驱动小齿轮 I、大齿轮和小齿轮 II 旋转，从而驱动飞轮旋转，由此完成对飞轮惯性的封装。
(a) 齿轮齿条惯容器结构图(去除上盖) ( b) 齿轮齿条惯容器工作原理图
图2.1 齿轮齿条式惯容器结构及工作原理图[17]
齿轮齿条式惯容器摩擦力较高且齿轮与齿轮接触间存在背隙问题，在齿轮高速转换运动方向时，齿轮间的背隙将造成系统迟滞或相位落后，为解决这个缺陷，有了滚珠丝杠式惯容器。
滚珠丝杠惯容器结构如图2.2，工作原理如图2.3 所示，当等大反向的力 f 沿轴向施加于两吊耳中心时，吊耳 B 相对于吊耳 A 做直线运动，产生相对位移，螺母和丝杠将直线运动转化为丝杠的旋转运动，丝杠驱驶飞轮旋转，由此完成对飞轮惯性的封装[17]。
图2.2 滚珠丝杠惯容器结构图[17]
图2.3 滚珠丝杠惯容器工作原理图[17]
2.2 以封装质量惯性为特征的惯容器
以封装质量惯性为特征的惯容器包括液压式惯容器和杠杆质量惯容器，而本文主要设计的就是液压式惯容器，其工作原理将在下一章单独说明。
杠杆质量惯容器如图2.4，当等大反向的力f 垂直于杠杆施加于两支撑时，杠杆带动质量块摆动，由此实现对质量惯性的封装。需要指出的是，只有在杠杆摆角很小的情况下，力 f 才近似垂直于杠杆，惯容系数 b 的值才接近恒定，因此杠杆质量惯容器是非线性元件，只有在特定条件下才把它看成是线性元件。
图2.4 杠杆质量惯容器工作原理图[17]
2.3 扭转惯容器
扭转惯容器包括少齿差行星齿轮扭转惯容器和摆线钢球扭转惯容器。
少齿差行星齿轮扭转惯容器工作原理如图2.5所示。当等大反向的转矩作用于壳体和转轴时，转轴相对于壳体产生角位移，接着少齿差行星齿轮传动机构便开始运作，最终驱驶飞轮转动。
1.壳体 2.转轴 3.齿轮a 4.双联内齿轮 5.转臂 6.齿轮b 7.飞轮
图2.5 少齿差行星齿轮扭转惯容器工作原理图[17]
摆线钢球扭转惯容器结构如图2.6a ，工作原理如图2.6b 所示。摆线钢球扭转惯容器包括摆线钢球减速器和飞轮两部分，其中飞轮与减速器的输入轴连接，而减速器的输出轴和壳体则作为元件的转矩输入端。当等大反向的转矩作用于减速器的输出轴和壳体时，输出轴相对于壳体产生角位移，摆线钢球减速器开始工作，最终驱驶飞轮转动。
图2.6摆线钢球扭转惯容器结构及工作原理图[17]
摆线钢球扭转惯容器与图2.5所示的少齿差行星齿轮扭转惯容器工作原理相同，实际上，图2.6中的摆线钢球传动就是图2.5中少齿差行星传动钢球化的结果[16]。摆线钢球扭转惯容器有摩擦小、背隙基本可以忽略等优点。
3. 液压式惯容器的工作原理和设计原理
下面简要介绍液压式惯容器的特点和优点。
3.1 液压式惯容器
3.1.1 液压式惯容器的特点
1.大液压缸、小液压缸和质量块组成液压式惯容器。大液压缸内的两个腔与小液压缸内的两个腔是相互连通的，质量块与小液压缸活塞杆的端部相连，大液压缸内的活塞运动通过油液带动小液压缸内的活塞运动，最终驱驶质量块产生平动。
2. 液压缸的作用是将油液的压力能转变为机械能。
3.1.2 液压式惯容器的优点
1. 可以用来承载高压，还可以消除背隙的问题。
2. 工程上液压技术已相当成熟，所以很容易制造出比齿轮齿条惯容器成本更低的液力惯容器。
3.2 液压式惯容器的基本工作原理和设计原理
液压式惯容器就是由液力发生器加质量块所构成的。液压式惯容器工作原理如图3.1所示。当等大反向的力 f 沿轴向施加于两吊耳中心时，吊耳 II 相对于吊耳 I 做直线运动，产生相对位移，活塞杆推动大活塞移动，挤压油液从大液压缸向小液压缸流动，从而推动小活塞移动，最终驱动质量块平动，由此实现对质量惯性的封装[17]。
图3.1 液力发生式惯容器工作原理图
液压式惯容器设计原理如图3.2所示。液压式惯容器利用液力发生装置，而液力发生装置本质上是一种力放大机构，它还利用了质量的惯性，并且液压式惯容器具有独立、自由的两个端点。
图3.2 惯容器装置基本设计原理图
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