采用壓電蜂鳴器設(shè)計和啟用壓電離合器?【中文6190字】【PDF+中文WORD】,中文6190字,PDF+中文WORD,采用,壓電,蜂鳴器,設(shè)計,啟用,離合器,中文,6190,PDF,WORD 【中文6190字】 采用壓電蜂鳴器設(shè)計和啟用壓電離合器 摘要 本文開發(fā)了一種新型的壓電離合器機(jī)構(gòu)，包括駕駛驅(qū)動件和從動件，并研究了離合器機(jī)構(gòu)的離合性能。每個部分都是基于一個薄盤壓電蜂鳴器作用下耦合模式的摩擦件和一個在非耦合模式的機(jī)械振動機(jī)構(gòu)。首先表達(dá)出離合器機(jī)構(gòu)和它的實驗裝置，即一個電力傳輸系統(tǒng)。然后，操作原則，用于分離的兩個相對表面上的逆壓電效應(yīng)和超聲懸浮聲明，并用于引入觀察該壓電蜂鳴器的振動模式的碳粉末的成像方法。此外，一個DC / AC諧振逆變器，用于將直流電源的正弦源施加以激勵壓電蜂鳴器構(gòu)成。最后，對轉(zhuǎn)速和電氣條件，以及與改變狀態(tài)的轉(zhuǎn)速的瞬 態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。 關(guān)鍵詞：壓電式離合器；壓電式蜂鳴器；振動模式；壓電效應(yīng)。 1．介紹 傳統(tǒng)的離合器，其中包括電磁離合器，齒輪離合器，摩擦離合器，超越離合器和離心離合器，通常用于啟動或停止機(jī)械加載，甚至控機(jī)械的轉(zhuǎn)速加載中電力傳輸系統(tǒng)。電磁離合器用于一些磁性粉末具有磁通聯(lián)系。由激勵線圈包圍需要傳遞轉(zhuǎn)矩從磁化后，開端到從動端發(fā)送的轉(zhuǎn)矩近似正比于磁場或磁化電流。每個電磁離合器在相同的速度或可控制的速度差下能夠連接的驅(qū)動和從動件。不幸的是，任何電磁離合器有其固有的缺點(diǎn)，如大的電磁干擾（EMI），這是不利在免費(fèi)的EMI的地點(diǎn)運(yùn)行，如醫(yī)院或精密實驗室的離合器[1-4]。對于齒輪離合器，如突起齒輪或鍵內(nèi)置在驅(qū)動和從動件。由主動和從動之間速度的大小所不相同，以避免過度的沖擊或損壞被測的耦合齒輪離合器和非耦合模式[5-8]。為摩擦離合器，主動和從動構(gòu)件相互連接并互相摩擦，從而使驅(qū)動件來驅(qū)動從動構(gòu)件。他們迅速通過一個小的沖擊力還是有點(diǎn)震動連接或分離。但是，磨料滑移的部件的接觸是由一個重負(fù)載，縮短離合材料的耐久性或保持經(jīng)常的保養(yǎng)[9-11]。對于超速離合器，一個超越離合器包括棘輪，棘爪，旋轉(zhuǎn)缸和楔形塊。其施工簡便，是離合器用其所述驅(qū)動扭矩或運(yùn)動傳遞到的從動結(jié)束在單向方向。但在一個相當(dāng)龐大的規(guī)模，并在瞬間產(chǎn)生的巨響中從耦合到非耦合，由于成員矩模式限制，這種類型的機(jī)制只能適用于中低速和非精密機(jī)器[12,13]。 離心離合器，如果其駕駛所需的速度達(dá)到驅(qū)動的接觸，從動部件會通過一個分離離心力的作用自動連接。則該離合器具有相當(dāng)笨重的機(jī)構(gòu)[14,15]。在解決對于上述傳統(tǒng)的離合器問題上，對于超聲波離合器驅(qū)動力控制設(shè)備與被動力反饋控制已經(jīng)發(fā)展[16]。而且，超聲波離合器，包括兩個超聲波換能器機(jī)械振動器，用于控制驅(qū)動之間的接觸或非接觸[17]。 基于上述情況，本文開發(fā)了一種新的壓電離合器機(jī)構(gòu)，包括兩個薄盤壓電蜂鳴器機(jī)械振動器和摩擦件，以減少離合機(jī)構(gòu)，取消了電磁干擾的影響，從耦合瞬態(tài)沖擊非耦合模式，并控制由驅(qū)動傳遞到從動端的功率。 2．機(jī)制設(shè)計 如圖1. 壓電離合器機(jī)構(gòu)包含一個驅(qū)動件和一個從動件，其中每個都包含薄盤壓電式蜂鳴器（TE41208-26，Seahorn公司，臺北，臺灣），驅(qū)動或從動軸，一個塑料固定器和兩個電線。壓電式蜂鳴器包括一個壓電陶瓷盤（直徑，24.8毫米;厚度0.1毫米），鎳合金盤（直徑41.0毫米;厚度0.1毫米）和鍍銀電極（直徑，24.8毫米;厚度0.02毫米） 圖1.壓電式離合器機(jī)構(gòu) 如圖所示。2.壓電陶瓷盤有極化方向和厚度方向。壓電的質(zhì)量蜂鳴器是約1.5g。用于電驅(qū)動器，電正弦波源通過鎳合金盤和鍍銀電極提供給壓電，如圖2所示。3. 在離合器機(jī)構(gòu)的組裝中，導(dǎo)電抽頭是附著在塑料固定器的外部。該從動軸驅(qū)動的軸對齊。壓電式蜂鳴器由粘膠在一個節(jié)圓固定在塑料固定器的邊緣的鎳合金盤上的振動模式。對于電線，1被安裝在鍍銀電極驅(qū)動軸之間，而另一個被安裝導(dǎo)電水龍頭及鎳合金磁盤之間。圖 4. 電力傳輸系統(tǒng)包括離合器機(jī)構(gòu)，電氣控制系統(tǒng)，2預(yù)壓控制器，兩個塑料接頭，及其他。電氣控制系統(tǒng)包括一個AC電源系統(tǒng)中兩個開關(guān)S1和S2中，兩個導(dǎo)電的水龍頭，碳刷，和一個原基地。本系統(tǒng)是用來控制電驅(qū)動條件成員，并確定耦合的或非耦合離合器機(jī)構(gòu)的模式。每個預(yù)緊控制器包含不銹鋼彈簧，兩個金屬墊圈和一個線性軸承，當(dāng)墊圈安裝在彈簧的兩端，并且該軸承是需要支持和引導(dǎo)驅(qū)動或從動沿著所述離合器機(jī)構(gòu)的中心軸線。該控制器提供預(yù)加載力來驅(qū)動或從動構(gòu)件，以確保其相對表面彼此連接在耦合模式。提供的規(guī)格彈簧，塑性系數(shù)為約1.15克/厘米，長度為大約18毫米，直徑約為4毫米。因此，在對向面接觸的預(yù)加載力約0.46克。在塑料接頭的連接時，其中一個所述驅(qū)動軸與電動機(jī)之間連接的軸，另一個是從動軸和一個之間連接的負(fù)載軸。 圖2壓電蜂鳴器結(jié)構(gòu) 圖3壓電蜂鳴器驅(qū)動 圖4電力傳輸系統(tǒng) 圖5逆壓電效應(yīng) 圖 6近場聲懸浮 圖7碳粉成像方法原理：（a）粉末運(yùn)動（b）電荷分布 圖 8振動模式模式：（a）前視圖模式;（b）背面視圖模式 3．工作原理 離合器機(jī)構(gòu)的非耦合模式是基于近場聲懸浮[18?20]，這是造成逆壓電效應(yīng)。稱為逆壓電效應(yīng)，壓電元件的形狀由一個正延伸直流驅(qū)動電壓和一個負(fù)的直流驅(qū)動電壓，如圖5中所示。關(guān)于聲懸浮，一個對象，具有一個平面和剛性底部暫停。上述一個使用輻射的壓電振子的輻射表面在物體的底部，以及一個壓力Π（kgw/m2）活塞狀聲波發(fā)生在磁懸浮之間的空間對象和所述輻射表面，如在圖6中描繪。通常，在懸浮高度比波長小得多的聲波。 圖9前視圖模式的三維視角 這個高度h（M），表示由其中a0是振動振幅（米），ρa(bǔ)為聲密度中等（kg/m3的）,ca是介質(zhì)的聲速（m/s），以及γ是比熱比[21]。 用公式。 （1），該與振動振幅懸浮高度增加，如果參數(shù)如ρA，CA，γ和Π是恒定的。此外，的離合器機(jī)構(gòu)的結(jié)果的非耦合模式在很大程度上從聲懸浮，使從動軸停止，但是驅(qū)動軸仍然在旋轉(zhuǎn)。 圖10原理振動模式 圖11交流供電系統(tǒng) 圖12速度測量系統(tǒng) 圖?13速度與在76.0千赫的頻率的直流輸入電壓 圖 14 在不同電壓下的速度與頻率的關(guān)系：（a）Vdc =1，2，3V;（b）Vdc =4，5，6V;（c）Vdc =7，8，9V;（d）Vdc =10，11，12V 從圖1和4所示，構(gòu)件被布置成一個公共的旋轉(zhuǎn)軸，是在第一狀態(tài)下相互接觸，如果成員都在低壓電蜂鳴器低交流電源供電，這些成員是進(jìn)一步移動到第二狀態(tài)，從而在驅(qū)動件被斷開使用強(qiáng)大的輻射壓力從動件字段壓電蜂鳴器的面對的表面上，如果一個或兩個成員在壓電蜂鳴器被通到高壓AC電源。如果必要時，兩個成員可以互換彼此。然后，對接觸面構(gòu)件緊密耦合在一起而沒有電激勵壓電蜂鳴器，以便得到一個事實，即驅(qū)動部件驅(qū)動所述從動構(gòu)件，這些表面還阻隔了斷開的成員，從而停止從動構(gòu)件，但仍然旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動部件，如一個或兩個壓電蜂鳴器由高AC電激勵電源。 4．機(jī)械分析 振動的電模式通電壓電蜂鳴器是由一個碳-粉末觀察成像方法，以闡明之間的斷線面向構(gòu)件的表面。操作該成像方法中，首先，一些碳的粉末在兩側(cè)均勻地擴(kuò)展的壓電式蜂鳴器。然后，該粉末從移動環(huán)路中的軸對稱彎曲振動的節(jié)點(diǎn)壓電蜂鳴器，如圖所示.7（a），直到露出振動模式的后電接通。由于正電荷和負(fù)電荷由殘余電場引起的振動，其模式仍保持在兩側(cè)壓電蜂鳴器，如圖所示.7（b）所示，。此外，該振動模式的圖案在壓電蜂鳴器的兩側(cè)被描繪在圖8（a）及（b）如果在壓電蜂鳴器通過通電正弦波源，涉及5V的幅度和73.25 kHz的頻率。在圖案，深色區(qū)域代表振動模式的節(jié)點(diǎn)，并且明亮區(qū)域表示的環(huán)振動模式。從圖9所示，第一結(jié)圈，φN1的直徑是約5.9毫米，所述第二直徑節(jié)圓，φN2，是約14.0毫米，直徑第三個節(jié)點(diǎn)的圓，φn3，是約21.2毫米。例如一個薄盤壓電蜂鳴器是一個薄盤的下面，一個二維（2D）的波動方程壓電元件，定義如下 這里，u是振幅，r是半徑，θ是幾何角，c為聲速，T是橫張力，ρ為質(zhì)量密度。因此，c為常數(shù)如果T和ρ是恒定的。變量θ為進(jìn)一步與由式得出。 （2）由于給壓電蜂鳴器的軸向?qū)ΨQ模式。因此，二維波動方程的解包含零級的任期第一種貝塞爾函數(shù)J0和歐拉函數(shù)的一個術(shù)語ejωt如果壓電蜂鳴器是由一個電正弦電源激勵。 該解決方案表示機(jī)械振動是由以下表示，Am進(jìn)行振動的振幅，k是波數(shù)，λ為波長，ω是角頻率。示意性的振動模式的示意圖顯示于圖10。此外， φn1 : φn2 : φn3 = α01: α02: α03, 通過計算：α01～=2.4,α02～=5.6, 和α03～=8.6，在α01，α02和α03是：零階第一的貝塞爾函數(shù)的第二和第三零J0，分別為[23]。這一發(fā)現(xiàn)表明，式（3）可用于分析所述壓電陶瓷的振動行為的一部分。因此，軸向?qū)ΨQ彎曲振動模式幾乎主宰了壓電振動行為在自由邊界條件蜂鳴器因為直徑φ2大大超過了在壓電陶瓷的厚度t2的磁盤[24]。此外，φ2/t2=248，由φ9=24.8毫米計算，并且T2= 0.1毫米。 5.實驗裝置 用于產(chǎn)生電的正弦交流電源系統(tǒng)源在壓電蜂鳴器的輸入端子示出圖. 11。這個系統(tǒng)包括一個DC / AC諧振逆變器，一個驅(qū)動和隔離電路，直流電源（LPS305，美國依賴公司，EI的Monte，CA）和一個函數(shù)發(fā)生器（FG506，美國依賴公司，EI的Monte，CA）中的諧振坦克由一個串聯(lián)電感LF（?=的64ΔH）和一個平行電容Cf（?=0.1uF）。諧振逆變器包含一個全橋菜刀有四個MOSFET器件（IRF840，Unitrode公司公司，達(dá)拉斯，德克薩斯州）中，諧振回路和等效電路 壓電蜂鳴器。MOSFET器件被控制由四個矩形觸發(fā)信號VGS1 - VGS4，分別是從驅(qū)動和隔離電路產(chǎn)生并由函數(shù)。脈沖寬度調(diào)制控制信號VPWM作為驅(qū)動和隔離電路的輸入信號從函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。因此，振幅正弦源是由直流電源控制，并且正弦信號源的頻率是由功能控制發(fā)電機(jī)。從圖12，一個速度測量系統(tǒng)，包括兩個數(shù)字光學(xué)轉(zhuǎn)速計（RM-1501，PROVA公司，臺北，臺灣）和兩個光反射，是量度在構(gòu)件的軸的旋轉(zhuǎn)速度。每個反射器是附著在該驅(qū)動的塑料固定器的外側(cè)。 6.結(jié)果與討論 根據(jù)圖4，在驅(qū)動壓電蜂鳴器構(gòu)件是通過在正弦電源電激勵76.0千赫，它是諧振頻率相同的頻率使用不同的電壓，從而控制壓電蜂鳴器由圖11中所示的直流電源。電源正弦振幅約與DC增加輸入電壓，如果驅(qū)動頻率是恒定的。從圖13的驅(qū)動速度指示驅(qū)動軸的速度幾乎等于驅(qū)動速度指示所述從動軸的速度為離合器機(jī)構(gòu)的聯(lián)接方式，如果一個低直流輸入電壓（≤7V）被提供。每個速度從20變23 RPS。在這里，RPS表示每秒改變。此外，該行駛速度可達(dá)29 RPS和驅(qū)動速度下降為離合器機(jī)構(gòu)的非耦合模式零，如果高直流輸入電壓（≥8V）被提供。因此，如果驅(qū)動頻率是恒定的，函數(shù)從耦合到非耦合方式的離合器機(jī)構(gòu)通過增加直流輸入電壓或振幅增強(qiáng)正弦源的。 圖15 使用VDC =12V和驅(qū)動速度的測量瞬態(tài)響應(yīng)F =變化在不同條件下76.0千赫：（a）從所述非接觸聯(lián)系方式;（b）從接觸到非接觸模式 然后，均對速度的驅(qū)動頻率的影響。從圖14（a）-（d）中，主動和從動速度幾乎不受驅(qū)動頻率從70到80千赫和驅(qū)動速度大致相當(dāng)于從動速度為耦合方式，如果提供一個低的直流輸入電壓（≤7V）。每個速度從20到23 RPS不同。但這些速度高度都是受到頻率，如果提供一個較高的直流輸入電壓（≥8V）。例如，驅(qū)動速度約等于驅(qū)動速度的耦合方式低頻（≤73.0千赫）或高頻（≥78.5千赫）。每個速度仍是從20至23 RPS不同。值得注意的是，驅(qū)動速度大大下降到零，并且行駛速度是略微達(dá)因換29 RPS在76.0千赫的頻率從耦合到非耦合模式，如果一個高的直流輸入電壓（≥11 V）被提供。因此，離合器機(jī)構(gòu)可以用于控制驅(qū)動部的速度變化，如果壓電式蜂鳴器在驅(qū)動或從驅(qū)動構(gòu)件被電壓擊中，在不同電壓下壓電式蜂鳴器適用于76.0千赫附近的共振頻率的頻率。 關(guān)于驅(qū)動速度的瞬態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)時間（?= 1.5秒，如圖15（a））的條件下從所述非接觸式稍微接觸模式變化的速度超過（?= 0.9秒，如圖所示。圖15（b））的條件下從接觸到非接觸方式發(fā)生變化。從圖15（a）和（b）所示，非接觸模式的驅(qū)動速度是零，并且，所述接觸模式的是在約22 RPS穩(wěn)定狀態(tài)時，離合器的蜂鳴器中的通電由驅(qū)動電壓來驅(qū)動（即VDC =12V），并且通過通電頻率（即F =76.0千赫）來測量驅(qū)動速度間接和迷你直流電機(jī)的穩(wěn)定結(jié)果（TS10SA，東元電機(jī)股份有限公司，香港，中國）具備25mm長度，20.1毫米寬度和高度15.1毫米播放發(fā)電或連接到一個沿對準(zhǔn)軸線與從動軸的感測作用端部。為直流電動機(jī)，規(guī)格的端電壓幾乎等于所產(chǎn)生的電壓，，如果直流馬達(dá)起著發(fā)電機(jī)的作用，該電壓是線性增加下加快作業(yè)轉(zhuǎn)速。同時，一端電壓之間的線性關(guān)系的斜率的旋轉(zhuǎn)速度是約6.8毫伏/ RPS。從測得的結(jié)果，150mV，在直流電動機(jī)的端子電壓約表示22 RPS的離合器從動速度。 圖16 摩擦?xí)r間響應(yīng)中的部件相面對的表面 基于上述結(jié)果，對摩擦?xí)r間的響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)行了相對表面的討論。從圖16面對的表面彼此充分接觸，并且驅(qū)動軸和從動軸是靜止的點(diǎn)（一）如果在使用驅(qū)動器的條件下，其公式為VM = Vdc = 0V。然后，在相對的表面仍然完全相互接觸，并且靜摩擦力，fs的，相面對的表面之間從零增大到最大靜摩擦力， FS ，最大，在路徑（二）驅(qū)動器的條件，包括虛擬機(jī)≤ 3V和VDC = 0V ，使用。此外，相面對的表面是由點(diǎn)彼此接觸，并且最大靜摩擦力是下到動摩擦，F(xiàn)K，在路徑（三）驅(qū)動器的條件，包括VM = 3V和VDC ≤ 7V ，使用。此外，面對的表面不接觸彼此，并且動摩擦幾乎是恒定的在之間的空間利用強(qiáng)大的超聲波懸浮面對表面的路徑（ IV ）如果驅(qū)動條件，包括VM = 3V和伏≥ 8V。所示的臨界點(diǎn)在圖16的頂部表示的最大摩擦?xí)蚰Σ翜y量裝置或估計測試儀適用于找到堆焊靜態(tài)或動態(tài)摩擦成員在今后的離合器機(jī)構(gòu)面。 7.結(jié)論 薄盤壓電式蜂鳴器成功地用作耦合方式中的摩擦元件或機(jī)械在驅(qū)動或從動件的耦合模式中振動。如果必要，兩個構(gòu)件可以彼此互換。這里，驅(qū)動部件被連接到一個驅(qū)動馬達(dá)和所述驅(qū)動構(gòu)件被連接到機(jī)械負(fù)載。從測量的結(jié)果中，在面向構(gòu)件的表面被緊緊地連接在一起，用于創(chuàng)建的耦合模式。如果所有壓電蜂鳴器沒有電氣由交流電力通電，這些面也相互分離。在制造非耦合模式下，如果一個或兩個壓電蜂鳴器完全由高AC功率電激勵。因此，根據(jù)非耦合模式驅(qū)動軸來驅(qū)動從動軸的耦合模式下，驅(qū)動部件仍然旋轉(zhuǎn)，從動軸停止。 參考文獻(xiàn) [1] J.P. 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He received theMSdegree from the Department of Electrical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei, Taiwan, ROC, in 1991, and received the PhD degree from the Department of Engineering and System Science, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan, ROC, in 1992. From 2002 to 2006, he was an associate professor in the Department of Electrical Engineering, National United University (NUU), Miaoli, Taiwan, ROC. Since 2006, he has been a professor in the Department of Electrical Engineering at the NUU. His research interests are in the areas of piezoelectric applications, ultrasonic motors and power electronics. Hsuang-Chang Chiang was born in Taiwan, ROC, in 1965. He received the BS and PhD degrees from the Department of Electrical Engineering, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan, ROC, in 1987 and 1994, respectively. From 1995 to 2001, he was an associate professor in the Department of Electrical Engineering, National United University (NUU), Miaoli, Taiwan, ROC. Since 2001, he has been a professor in the Department of Electrical Engineering at the NUU. His research interests are in the areas of power electronics, control systems and motor drives. Chun-Wei Lee was born in Taiwan, ROC, in 1982. He received the BS degree from the Department of Electrical Engineering, Ching Yun University, Chung Li, Taiwan, ROC, in 2005, and received the MS degree from the Department of Electrical Engineering, National United University, Miaoli, Taiwan, ROC, in 2007. His research interests are in the areas of control systems and piezoelectric applications.