汽油機曲柄連桿機構中活塞的有限元分析

汽油機曲柄連桿機構中活塞的有限元分析,汽油機曲柄連桿機構中活塞的有限元分析,汽油機,曲柄,連桿機構,活塞,有限元分析 一種新型雙足驅(qū)動直線超聲波電動機的研究 設計了一種新型雙足驅(qū)動的直線超聲波電動機，其定子采用了一片銅板和八片壓電陶瓷構成的復合結構，壓電點陶瓷沿著厚度方向極化，對稱安裝在矩形銅板的兩個表面上。建立了該電機的機電耦合動力學模型，通過仿真確定了驅(qū)動足的位置，并試驗研究了電機的特性。 1、簡介 近來，直線超聲波電極有了重大的研究利益，與普通的電磁式電機相比，超聲波電機有諸如以下的幾個優(yōu)點：單位體積輸出轉(zhuǎn)矩大、納米級的精確操作、良好的開關和位置控制特性、斷電自鎖、適應環(huán)境能力強、運行過程不受限制、形式靈活，設計自由度大。直線超聲波電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)不僅已被應用于精確定位，實現(xiàn)自動化，國防等，而且已經(jīng)開發(fā)研究出了許多創(chuàng)新的裝置應用于下列領域，諸如微電子、機械、微型機器人，直線超聲波電機驅(qū)動技術有一個良好的應用前景。 科學研究上，已有很多類型的直線超聲波電機。行波直線超聲波電機、駐波直線超聲波電機及大型超聲波電機的感念已被提出。一些駐波直線超聲波電機已經(jīng)發(fā)展起來，因他們良好的性能，如更大的單位體積輸出轉(zhuǎn)矩，更高的驅(qū)動速率、更精確的定位系統(tǒng)，這些都能滿足不斷增加的對電機微型化的要求，這些電機運用單極的壓電陶瓷片作為定子，并且這其中有一個挨一個的齒足。有關結構設計和驅(qū)動控制的方法已在本論文中研究。劉總結得出的相反一極的壓電陶瓷片的長、寬合適的比例是4：0，來自Israel的Zumeris已經(jīng)把振子的水平振動的陶瓷片技術應用于商業(yè)領域。 帶有雙足驅(qū)動的新型直線超聲波電機在本論文中已經(jīng)設計出來，電機被壓成片的定子由一個金屬片和八個壓電陶瓷片構成。有如此構造的定子被夾著是容易的，工作方式是一個水平的模式的合成，在本文提出的設計感念更多地應用于微型高效率電機。 2、運行機理 2.1 總的構造 一個基于行波的復雜超聲波電機虛構的模型如下圖所示，它是一個定子、一個轉(zhuǎn)子、金屬外殼、螺栓和塑料栓構成的。 其中定子由黃銅片組成，在黃銅片上下表面對稱粘結著八個陶瓷片，而在這個黃銅片的同側有兩個驅(qū)動足，壓電陶瓷片根據(jù)其厚度被極化，黃銅片上表面的四個壓電陶瓷片被極化的方向與其下表面四個陶瓷片被極化的方向是相對的，螺栓和塑料栓是被用于固定定子于金屬外殼上，定子與轉(zhuǎn)子之間的壓力是可以調(diào)節(jié)的，所以電機能在不同要求的壓力下工作，為了減少定子夾緊振動的影響，固定點應該靠近振動的定子的橢圓振動方向。 2.2 工作原理 工作的定子由第一種徑度的振動模式和第二個混合振動模式合成。 圖2顯示出。驅(qū)動足摩擦面上的振子是在定子第一種徑度振動模式中橫向振動的，圖2b可以看出，當定子在第二中彎曲振動模式上振動時，驅(qū)動足摩擦面上的振子就會垂直振動，圖2c所示，當定子如果跟這兩個振動模式不同，驅(qū)動齒摩擦面上的振子軌跡就應該是個橢圓，金屬外殼被固定在工作平臺上，定子的兩個驅(qū)動足驅(qū)動轉(zhuǎn)子作直線運動。如果振動不同地變化，那么作橢圓運動的振子也跟著改變，繼而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨之改變。一般地，要求的兩個振動相位相差90度，以此來保證轉(zhuǎn)子能有有效的工作。 2.3 運行機制 在圖3中顯示了定子的振動運行方法。八個壓電陶瓷片被分成了四組，每組包括兩個對稱地粘在黃銅片兩個壓電陶瓷片，對角的兩對壓電陶瓷片被單根信號激發(fā)，另外兩對的壓電陶瓷片被相差90度的信號激發(fā)，金屬片接地，事實上，定子的徑度模式和彎曲模式復雜，由于生產(chǎn)及各種各樣的溫度協(xié)調(diào)并不好，加上已經(jīng)運行的定子的振動模式的原因，在直線模式頻率與彎曲模式之的一個激發(fā)頻率被影響了，如圖3所示 在兩個激發(fā)信號之間有個相位差異，繼而導致兩個振動的一個相位差異，圖4所示，如果發(fā)動機頻率改變，那么共振的相位也會改變，激發(fā)信號頻率越接近定子的模態(tài)頻率，那么共振相位就改變的更大，驅(qū)動頻率的改變，共振的相位差異也會改變。 驅(qū)動器的驅(qū)動方向可以由交叉連接的兩對電極來改變彎曲模式相位，并能導致改變表面振子橢圓運動的方向。通過激發(fā)電壓和兩個個激發(fā)信號間的相位差異的調(diào)整來改變轉(zhuǎn)子的速度。 3、電機的構造設計 定子的一個機電耦合振動模式是運用一個FEM、ANSYS軟件建立其結構設計的。只有當定子第一個直線模態(tài)自然頻率接近于第二個彎曲模態(tài)時，定子被需求的模態(tài)才能有效激發(fā)，所以，兩個模態(tài)的頻率的一致性在設計生產(chǎn)定子時就應考慮到。 圖5所示，不同黃銅片長度振動模式的頻率。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，作直線振動的頻率和彎曲振動的頻率都隨黃銅片的長度變長而減小，而且彎曲模式的頻率變化更快，這個建模說明一個優(yōu)化調(diào)整的頻率的有效方法是改變黃銅片的長度尺寸。 黃銅片被計算的長度是40.5mm,彎曲振動模態(tài)的自然頻率是39980赫茲，徑向振動模態(tài)的頻率是40010赫茲，這兩個頻率大致相等。 考慮到計算和生產(chǎn)方面的誤差，黃銅片初次生產(chǎn)的長度要41mm。比計算出來的多出0.5mm，通過逐漸減小黃銅片的長度，定子的模態(tài)頻率的一致性可以憑借頻率測量工具來完成。 雙足驅(qū)動的方法可以采用。這兩個齒足可以輪流運作，因為反轉(zhuǎn)工作這兩個驅(qū)動足應該對稱地安裝。 驅(qū)動齒輪的形狀是矩形的，為了保持摩擦部分接觸好能使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定地運作，每個齒接觸面上彎曲振幅，在彎曲振動方向上應該是一致的，定子上驅(qū)動齒的分布會影響其振動速度的協(xié)調(diào)性。 在FEM模型上，每個嚙合的齒上有五個等距的節(jié)點，如圖6所示，在每個齒彎曲振幅的節(jié)點間的關系與兩個齒間被計算過的固定距離是對應的，如圖7所示，當固定距離達到13.7時，五個節(jié)點的彎曲振幅幾乎相等。 兩個驅(qū)動足的速度協(xié)調(diào)性是影響定子驅(qū)動力的一個重要因素，驅(qū)動齒不同的分布會產(chǎn)生不同的振動振幅，而且齒還提供的不同的驅(qū)動力。 通過機電耦合振動模態(tài)，定子的振動軌跡可以預測出來，壓電陶瓷片被使用的驅(qū)動電壓是40v，驅(qū)動頻率是40080赫茲，一個0.003的繼續(xù)阻尼頻率被設置用于諧波的反饋中，定子振動振幅上的一個，就是驅(qū)動齒上升的地方，已在圖中被計算并畫了出來，UX是徑度振動方向的位移，UY是彎曲振動方向的位移，UZ是橫向振動方向的位移USUM是綜合位移，UZ 的位移顯示出的太小被忽略了，UY的弧線是對稱分布的，當兩個齒的中心位置達到13.7mm時，彎曲振幅會達到最大值，并且振幅基本對稱，UX不是對稱分布的，右齒的UX振幅比左齒的這幅較大，右齒USUM是綜合位移比左齒也較大些。 因此，只有當兩個齒中心距離是13.7mm, UY是彎曲振幅才會達到它的最大值，在驅(qū)動足上的節(jié)點的振動速度在彎曲振動上保持一致，圖9所示，定子的尺寸是被固定的。矩形黃銅片的長度是40.5mm，寬度是11mm，厚度是2mm，壓電陶瓷片長度是17mm， 寬度是4mm，厚度是0.8mm。 4、實驗結果 用阻尼分析儀測量的定子頻率回應特性如圖10所示，第一個垂直振動模態(tài)的諧振頻率為38.8×103赫茲，第二個彎曲的模態(tài)的諧振頻率為40.8×103赫茲，彎曲振動頻率較徑度振動頻率高240.8×103赫茲。 圖11所示的是驅(qū)動速率和驅(qū)動頻率間的關系，驅(qū)動電壓大約是50v/ms,當一個諧波頻率為38.6×103赫茲時，電動機達到最高速度，為94.5mm/s，從頻率38.6×103赫茲到40.8×103赫茲，速度保持在42mm/s以上變化。 電機的驅(qū)動速率在被應用的電壓有負載的變化，這個結果和一個無負載工作條件下的轉(zhuǎn)子的情況是一致的，圖12所示，激發(fā)的頻率約為39.6×103赫茲。 5、總結 一種新型的帶有雙足驅(qū)動的直線型超聲波電機已經(jīng)發(fā)展起來，定子是有八個壓電陶瓷片和一個黃銅片組成，電機基本尺寸是要求仔細規(guī)定的，定子上驅(qū)動齒的分布是有FEA決定的，實驗仿真顯示了第一個平面徑度振動模態(tài)的頻率和第二個彎曲振動模態(tài)的頻率可以通過黃銅片長度的調(diào)整而輕易地改變成一致。由電機模型特性已被實驗性地測量出來，當驅(qū)動電壓大約達到50V/ms，頻率為38.6×103赫茲時，電機會達到輸出速度的最大值94.5mm/s。