1449-摩托車專用升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

1449-摩托車專用升降平臺(tái)設(shè)計(jì),摩托車,專用,升降,平臺(tái),設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文I目 錄1 緒論1.1 升降臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................... （1）1.2 升降臺(tái)的發(fā)展前景 ......................................... （1）1.3 摩托車升降臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) ................................... （2）1.4 摩托車升降臺(tái)的安全要求 ................................... （2）1.4.1 設(shè)計(jì)的安全要求 .......................................... （2）1.4.2 其他安全要求 ............................................ （3）2 摩托車升降臺(tái)的總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 ............................................ （4）2.2 摩托車升降臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 ........................ （4）2.3 摩托車升降臺(tái)的兩種結(jié)構(gòu)形式 ................................ （4）2.4 摩托車升降臺(tái)機(jī)構(gòu)中三種液壓缸布置方式的分析比較 ............ （5）2.4.1 問題的提出 .............................................. （5）2.4.2 三種方案的分析和比較 .................................... （5）2.5 總體方案確定及總體設(shè)計(jì) .................................... （7）3 摩托車專用升降臺(tái)的受力分析計(jì)算3.1 實(shí)例分析 .................................................. （8）3.1.1 摩托車專用升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 .............................. （8）3.1.2 升降臺(tái)受力分析 .......................................... （8）3.2 實(shí)例計(jì)算 ................................................. （12）3.2.1 剪叉臂長(zhǎng)度及液壓缸安裝位置的確定 ....................... （12）3.2.2 液壓缸推力的計(jì)算及選型 ................................. （14）3.2.3 其他力的計(jì)算 ........................................... （15）4 各參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 升降臺(tái)主要零部件材料的選擇 ............................... （17）4.1.1 底座材料的選擇 ......................................... （17）4.1.2 液壓缸缸體尾部橫梁的材料選擇 ........................... （17）4.1.3 搭板的材料選擇 ......................................... （17）4.1.4 工作臺(tái)的材料選擇 ....................................... （17）4.2 內(nèi)外剪叉臂與底架連接的銷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................... （18）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文II4.3 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................... （18）4.4 滾輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................... （18）4.5 腳輪的選型 ............................................... （19）5 液壓系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)5.1 負(fù)載分析 ................................................. （20）5.2 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ......................................... （20）6 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算與元件選擇6.1 液壓泵的選擇 ............................................. （21）6.1.1 液壓泵壓力的計(jì)算 ....................................... （21）6.1.2 液壓泵的選擇 ........................................... （21）6.2 液壓缸作用時(shí)間的計(jì)算 ..................................... （21）6.3 油管的選擇 ............................................... （22）7 強(qiáng)度校核7.1 剪叉臂的強(qiáng)度校核 ......................................... （23）7.2 液壓缸底架固定橫梁的強(qiáng)度校核 ............................. （25）7.3 軸的強(qiáng)度校核 ............................................. （28）7.3.1 內(nèi)剪叉臂固定端銷軸的強(qiáng)度校核 ........................... （28）7.3.2 液壓缸缸體尾部銷軸的強(qiáng)度校核 ........................... （28）7.3.3 液壓缸活塞桿頭部支撐軸的強(qiáng)度校核 ....................... （29）8 校核8.1 重量核算 ................................................. （30）8.2 成本核算 ................................................. （30）8.2.1 成本的概念 ............................................. （30）8.2.2 產(chǎn)品生產(chǎn)成本項(xiàng)目 ....................................... （31）8.2.3 生產(chǎn)成本的核算 ......................................... （31）9 結(jié)論 ........................................................（33）參考文獻(xiàn) ...................................................... （34）致謝 ........................................................... （35）附錄 A ........................................................ （36）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文I目 錄1 緒論1.1 升降臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................... （1）1.2 升降臺(tái)的發(fā)展前景 ......................................... （1）1.3 摩托車升降臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) ................................... （2）1.4 摩托車升降臺(tái)的安全要求 ................................... （2）1.4.1 設(shè)計(jì)的安全要求 .......................................... （2）1.4.2 其他安全要求 ............................................ （3）2 摩托車升降臺(tái)的總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 ............................................ （4）2.2 摩托車升降臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 ........................ （4）2.3 摩托車升降臺(tái)的兩種結(jié)構(gòu)形式 ................................ （4）2.4 摩托車升降臺(tái)機(jī)構(gòu)中三種液壓缸布置方式的分析比較 ............ （5）2.4.1 問題的提出 .............................................. （5）2.4.2 三種方案的分析和比較 .................................... （5）2.5 總體方案確定及總體設(shè)計(jì) .................................... （7）3 摩托車專用升降臺(tái)的受力分析計(jì)算3.1 實(shí)例分析 .................................................. （8）3.1.1 摩托車專用升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 .............................. （8）3.1.2 升降臺(tái)受力分析 .......................................... （8）3.2 實(shí)例計(jì)算 ................................................. （12）3.2.1 剪叉臂長(zhǎng)度及液壓缸安裝位置的確定 ....................... （12）3.2.2 液壓缸推力的計(jì)算及選型 ................................. （14）3.2.3 其他力的計(jì)算 ........................................... （15）4 各參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 升降臺(tái)主要零部件材料的選擇 ............................... （17）4.1.1 底座材料的選擇 ......................................... （17）4.1.2 液壓缸缸體尾部橫梁的材料選擇 ........................... （17）4.1.3 搭板的材料選擇 ......................................... （17）4.1.4 工作臺(tái)的材料選擇 ....................................... （17）4.2 內(nèi)外剪叉臂與底架連接的銷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................... （18）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文II4.3 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................... （18）4.4 滾輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................... （18）4.5 腳輪的選型 ............................................... （19）5 液壓系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)5.1 負(fù)載分析 ................................................. （20）5.2 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ......................................... （20）6 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算與元件選擇6.1 液壓泵的選擇 ............................................. （21）6.1.1 液壓泵壓力的計(jì)算 ....................................... （21）6.1.2 液壓泵的選擇 ........................................... （21）6.2 液壓缸作用時(shí)間的計(jì)算 ..................................... （21）6.3 油管的選擇 ............................................... （22）7 強(qiáng)度校核7.1 剪叉臂的強(qiáng)度校核 ......................................... （23）7.2 液壓缸底架固定橫梁的強(qiáng)度校核 ............................. （25）7.3 軸的強(qiáng)度校核 ............................................. （28）7.3.1 內(nèi)剪叉臂固定端銷軸的強(qiáng)度校核 ........................... （28）7.3.2 液壓缸缸體尾部銷軸的強(qiáng)度校核 ........................... （28）7.3.3 液壓缸活塞桿頭部支撐軸的強(qiáng)度校核 ....................... （29）8 校核8.1 重量核算 ................................................. （30）8.2 成本核算 ................................................. （30）8.2.1 成本的概念 ............................................. （30）8.2.2 產(chǎn)品生產(chǎn)成本項(xiàng)目 ....................................... （31）8.2.3 生產(chǎn)成本的核算 ......................................... （31）9 結(jié)論 ........................................................（33）參考文獻(xiàn) ...................................................... （34）致謝 ........................................................... （35）附錄 A ........................................................ （36）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）英文資料翻譯題目 壓電液壓驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和測(cè)試專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 068105331學(xué) 生 姓 名 徐 越指 導(dǎo) 教 師 袁 寧填 表 日 期 2009 年 3 月 25 日由 SPIE 智能結(jié)構(gòu)和材料研討會(huì)提交，智能結(jié)構(gòu)技術(shù)的工業(yè)與商業(yè)應(yīng)用，圣地亞哥， 2003 年 3 月，第 5054-11 號(hào)文件壓電液壓驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和測(cè)試杰森?蘭德勒，埃里克?安德森加州山景里窩那街 2565 號(hào)，加空局工程公司馬克東?瑞格布拉格加州山景里窩那街 2565 號(hào)，菱形顧問組摘要本文介紹的設(shè)計(jì)方法是建設(shè)一個(gè)使用智能材料提供液壓流體動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器。在被描述的驅(qū)動(dòng)器類，液壓油從硬盤頻率壓電或其他智能材料中分離輸出缸的運(yùn)行頻率。這種解耦允許在高頻壓電驅(qū)動(dòng)，以提取物質(zhì)的最高大量能源，以及液壓缸在低頻驅(qū)動(dòng)提供長(zhǎng)沖程。然而，由于遵循流體的可壓縮性和結(jié)構(gòu)性，基本阻抗匹配和流體之間的壓電很難能量轉(zhuǎn)換成加壓壓電液壓油流。在材料，機(jī)械設(shè)計(jì)，以及流體機(jī)械接口領(lǐng)域的基本設(shè)計(jì)權(quán)衡和重大技術(shù)問題存在爭(zhēng)論。提出原型設(shè)備和元件測(cè)量。介紹測(cè)試方法，測(cè)試量化泵壓力和流量，得出動(dòng)力量和速度。一系列的試驗(yàn)表明由智能材料提供強(qiáng)力長(zhǎng)沖程驅(qū)動(dòng)的裝置的可能性。關(guān)鍵詞：壓電，智能材料， 壓電液壓 ，驅(qū)動(dòng)，電源的電線，水泵導(dǎo)言智能材料，如壓電， 磁限和電限長(zhǎng)期應(yīng)用在精確控制方面。由于其形變能力有限，這些材料通常沒有用于要求大量直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。近幾十年出現(xiàn)了依靠各種技術(shù)增加來自智能材料核心的驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)。其中常見的是機(jī)械放大或轉(zhuǎn)型，如那些正在使用的杠桿和支點(diǎn)，并分步重復(fù)類型，例如，蠕動(dòng)。最近，研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到整合智能材料和液體，使泵的一個(gè)基本組成部分加以利用線性驅(qū)動(dòng)的可能性。這種新方法有望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程高功率驅(qū)動(dòng)。與包括常規(guī)伺服液壓和各種電磁類型在內(nèi)的其他類型的驅(qū)動(dòng)相比，壓電液壓驅(qū)動(dòng)有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。相比傳統(tǒng)液壓，主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在電線方面，即消除液壓配電線路。與電磁方法相比，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，壓電液壓驅(qū)動(dòng)提供強(qiáng)力液壓和潛在的更迅速的響應(yīng)時(shí)間。相比于傳統(tǒng)液壓，新型驅(qū)動(dòng)器在熱分布和漏油方面有不利之處。與電磁驅(qū)動(dòng)器相比，盡管使用少量液壓油，新型驅(qū)動(dòng)器仍然需要電氣和液壓一體化。壓電液壓驅(qū)動(dòng)的這些特點(diǎn)中有許多和電限驅(qū)動(dòng)器（ EHAs ）的是相同的 ，如用在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)。壓電液壓驅(qū)動(dòng)比其他EHAs 在壓電材料本身的能量密度方面有一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)。提取這種能量是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，本文試圖描述許多當(dāng)前發(fā)展努力的挑戰(zhàn)中的一些。整體設(shè)計(jì)目標(biāo)是要通過不同階段由壓電棧元件轉(zhuǎn)換電力輸入由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出缸將機(jī)械動(dòng)力傳到外部負(fù)載。設(shè)計(jì)始于壓電智能材料，延伸到壓電流體界面，通過閥門，并最終到輸出缸。盡管電子驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器在其他地方討論，但它也是一個(gè)考慮。像許多系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性和反復(fù)的工作，單個(gè)的組件能夠被設(shè)計(jì)，但需要重新設(shè)計(jì)與其他子系統(tǒng)相配合。子系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)在這一進(jìn)程中測(cè)試元件。測(cè)試以個(gè)別要素之間的互動(dòng)和合作為特點(diǎn)。設(shè)備的總機(jī)械輸出（力量，速度，或電量）的衡量和最大化是最終目標(biāo)。本文闡述了在固液混合驅(qū)動(dòng)，可說明的操作和突出的局限性方面的基本概念。提出執(zhí)行器的設(shè)計(jì)理念的下一步，和闡述各個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)。審議壓電性能重要的優(yōu)先性的應(yīng)用。決定加壓室的設(shè)計(jì)和描述原型器件。分析部分或全部器件特性的各種測(cè)試方法，強(qiáng)調(diào)每種方法的價(jià)值。本文通過測(cè)試結(jié)果和解釋對(duì)多代壓電液壓設(shè)備得出結(jié)論。固液混合驅(qū)動(dòng)更廣泛地說，壓電液壓或智能材料液壓驅(qū)動(dòng)可稱為“固液混合”驅(qū)動(dòng)。能源傳送到智能材料生產(chǎn)加壓流體。然后機(jī)械閥調(diào)整振蕩流體壓力促使加壓流體流動(dòng)。由于有液壓蓄能器和另一個(gè)閥門，固體介質(zhì)可以不在所要求的負(fù)荷時(shí)的頻率下運(yùn)行。一般來說，固體驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的頻率遠(yuǎn)高于所要求的負(fù)荷時(shí)的頻率，也許達(dá)到 100 倍。雖然理論上是吸引人的，但實(shí)際的限制會(huì)限制固液混合驅(qū)動(dòng)方式的效率。特別是，流體粘度和壓縮結(jié)合活性物質(zhì)的機(jī)制中所固有的損失，以限制驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器的總輸出功率有效帶寬。同時(shí)，如果最大功率驅(qū)動(dòng)器是可用來驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)荷，必須非常小心地設(shè)計(jì)使流體的輸送和輸出符合驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)。如圖 1 所示是目前發(fā)展?fàn)顩r下通用的設(shè)備。圖中，設(shè)備組成有幾個(gè)要素組成：剛度為 k 的固態(tài)要素推動(dòng)面積為 A1 的活塞對(duì)工作流體加壓，流體通道通過四個(gè)閥門將加壓室與液壓輸出缸和累加器相連接。圖 1 ：固液混合驅(qū)動(dòng)器概念圖 2 顯示了混合驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作順序。閥門開口定時(shí)使加壓流體到一個(gè)輸出缸的分室。固態(tài)驅(qū)動(dòng)器在沖程時(shí)，任一的輸出活塞缸的端口是直接通向累加器腔的，使得輸出活塞在每個(gè)腔內(nèi)分離出不同的容積。一旦加壓沖程已經(jīng)到達(dá)了極限，閥門開口就會(huì)調(diào)整，以使加壓腔從低壓輸出缸和累加器腔吸取流體。流體的這種流離從輸出活塞的一側(cè)反向移動(dòng)到活塞的另一側(cè)以達(dá)到平均流動(dòng)。 前進(jìn) 反向增壓或入口 降壓或出口圖 2 ：混合驅(qū)動(dòng)器操作順序設(shè)備的自由運(yùn)行輸出速度是誘導(dǎo)應(yīng)變器和運(yùn)作的循環(huán)頻率分離的流體容積變化的結(jié)果，以輸出活塞的區(qū)域區(qū)分。腔的大小和流體性質(zhì)可以調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)在任何特定驅(qū)動(dòng)因素下大范圍的力量-速度輸出特性。然而，張力動(dòng)作器的操作能力的基本考慮將顯示，在理論上每周期運(yùn)行頻率 f = 1/T 時(shí)的最大的機(jī)械動(dòng)力是其中 Fb 是驅(qū)動(dòng)器阻力值，δMAX 是驅(qū)動(dòng)器的最大自由誘發(fā)沖程（ Ps 是“零速”壓力，即沒有流體可移動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)器的壓力，且 Δ VMAX = A1 δ MAX） 。在固態(tài)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載線力量-位移之下對(duì)應(yīng)的工作量的最大值區(qū)域可以表示為長(zhǎng)方形，壓力-容積也一樣，如圖 3 所示。流體可壓縮性的考慮要求，固態(tài)驅(qū)動(dòng)器的加壓腔有一種有限流體的動(dòng)剛度。加壓腔剛度示是 A1 / β V ,其中 β 是流體可壓縮性。腔的流體剛度顯示了對(duì)驅(qū)動(dòng)器的載荷，如圖 3 所示 ，從而降低了最高可達(dá)到的壓力和動(dòng)力輸出，它們分別為 圖 3 ：混合驅(qū)動(dòng)器的工作顯示損失的解釋流體從加壓腔流動(dòng)到輸出缸引起必要的壓降進(jìn)一步降低了集成設(shè)備可用的輸出：很難在實(shí)際中得到等式 1 中計(jì)算的輸出功率。實(shí)際上，等式 2 給出了特定驅(qū)動(dòng)器的最大輸出功率。特別是，閥壓降，流體可壓縮性，和加壓空間的有效高度( V1/A1)必須盡量減少，并建立各種因素下的高度下限。由于流體通道的工作需要，粘性流通過這些通道的相關(guān)損失（包括 Δ PV）和流體的溫度、氣泡等可變性質(zhì)，這些目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有直接達(dá)到。這可能是行使模型的基于上述討論和在參考 8 中所描述的其他假設(shè)生產(chǎn)仿真的結(jié)果如圖 4 。該圖顯示的循環(huán)周期的壓力以及由此產(chǎn)生活塞的高低壓兩側(cè)的壓電。它還顯示驅(qū)動(dòng)器的輸出軸的位置，因?yàn)樗欢螘r(shí)間內(nèi)增加的總體反應(yīng)是低于壓電響應(yīng)超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖 4 ：在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力的壓電和輸出位置以及輸出位移 通過建模表明固液混合驅(qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)力的基本限制不僅包括固態(tài)驅(qū)動(dòng)因素固有的物理限制（例如剛度，沖程，穩(wěn)定的運(yùn)行頻率） ，而且還限制了工作流（例如壓縮，蒸汽壓力） 。隨著固態(tài)驅(qū)動(dòng)因素的工作頻率的增加，液體空穴的可能性是輸出功率增加的主要限制因素。參考 8 提供一個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式可以實(shí)現(xiàn)在最大輸出功率下估計(jì)運(yùn)行頻率：其中 P 是該裝置充氣壓力。使用器件的典型參數(shù)值， P 是 5 兆帕（ 725 磅）， fMAX 大約是 740 赫茲。這種裝置的有限空蝕最大輸出功率也取決于工作流體的內(nèi)在可壓縮性，以及作用于驅(qū)動(dòng)器的外部載荷。顯然，有必要精心設(shè)計(jì)閥門來糾正工作流體的高頻率加壓。閥門必須運(yùn)行在高頻率，尤其是，他們必須有足夠的速度和開放領(lǐng)域在增壓室的入口通道形成低壓降。一系列的閥門和流體加壓的幾種方法已在將被介紹的設(shè)備中做過測(cè)試。驅(qū)動(dòng)器概念智能材料液壓傳動(dòng)的主要部分的基本概念如圖 1 所示。這一概念連同設(shè)計(jì)的實(shí)物照片在框形圖 5 中顯示出來。該器件從外部接口獲得電力和指令并傳回遙感數(shù)據(jù)（例如加載或位移）狀態(tài)或安全信息。微控制器或低端數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行必要的計(jì)算，以配合指令，傳送遙感信息，規(guī)范驅(qū)動(dòng)和閥門定時(shí)。高功率放大器驅(qū)動(dòng)主要的智能材料驅(qū)動(dòng)器，低功率放大器驅(qū)動(dòng)里的任何活躍閥門。主要的加壓驅(qū)動(dòng)器壓縮加壓室中的流體，并且閥門迅速傳送流體進(jìn)出腔體、蓄電池和輸出設(shè)備。輸出驅(qū)動(dòng)器活塞驅(qū)動(dòng)頻率范圍為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)頻率的1/100 到 1/50。驅(qū)動(dòng)器輸出驅(qū)動(dòng)負(fù)載，和傳輸全球遙感數(shù)據(jù)，如旗幟角度，是提供給嵌入式控制器。圖 5 ：智能材料液壓混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的基本架構(gòu)執(zhí)行器基本上是一個(gè)泵，有時(shí)被稱為增壓和閥門（PVA） ，加上一個(gè)輸出設(shè)備。這兩個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合是重要的，沒有考慮輸出驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載的泵的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致效率低下。最一般的設(shè)計(jì)中，無論是首要驅(qū)動(dòng)器的頻率和振幅都可以通過該系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的流量和壓力。從總體效率的角度來看這是最好調(diào)節(jié)此驅(qū)動(dòng)器的方法，而不是故意限制通過閥的流量，增大大的壓降，和作為熱源釋放能量。機(jī)械腔體所起的作用是安裝其他的組成部分，存留和傳送流體。腔體必須為流體密封留有余量，腔體必須盡量減少，特別是在附近的主要流體壓縮室。腔體也有起到傳熱的次要作用，且必須包含可應(yīng)用依賴安裝的手段。整體形狀不像軸是可以接受的，與 PVA 和液壓輸出裝置構(gòu)成兩個(gè)大組。顯然，內(nèi)部流體路徑的長(zhǎng)度應(yīng)限于對(duì)高帶寬操作，通道的寬度或直徑也應(yīng)盡量減少。傳送通道里少量的流體是可取的，就像沒有限制和壓降的自由流體。對(duì)工作流來說，高體積彈性模量和低粘度是首選。在實(shí)際中，有效的流體體積彈性模量受到存在的氣量的影響。最后，如上述情況，設(shè)備應(yīng)盡量在壓力差或預(yù)置的情況下操作。整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵要素很大程度上是閥門。通過閥門的壓降限制帶寬和整體輸出功率，與其中進(jìn)口閥是最關(guān)鍵的。在研制中，一些主動(dòng)和被動(dòng)的閥已被測(cè)試。高速被動(dòng)閥性能較差，但機(jī)構(gòu)很簡(jiǎn)單。被動(dòng)閥結(jié)構(gòu)有許多選擇。積極閥門必須在最低限度下提供方向控制，扭轉(zhuǎn)輸出設(shè)備的流體流向，以改變輸出方向。主動(dòng)閥開啟和關(guān)閉的時(shí)機(jī)對(duì)高效率運(yùn)作是至關(guān)重要的，一定程度上，每個(gè)周期無慣性扭轉(zhuǎn)時(shí)閥的形狀是首選。壓電材料和制動(dòng)器在過去 20 年設(shè)備的發(fā)展和演變中，壓電驅(qū)動(dòng)器的使用已被公認(rèn)為是不同于許多“智能結(jié)構(gòu)”的應(yīng)用。高能量密度和高能量傳遞是基本的需求，而不是精確定位或振動(dòng)控制?；旌向?qū)動(dòng)器需要智能材料應(yīng)用在主要壓力和某些架構(gòu)，作為一種手段來推動(dòng)積極閥。由于多種原因，選擇壓電材料優(yōu)于其他的選擇。相比于有尺寸和壓電帶寬要求的形狀記憶材料，因此，在高頻下提供壓力的能力是應(yīng)首先考慮的。相比于磁限 ，壓電在材料里產(chǎn)生較低的能量密度，而當(dāng)包括輔助領(lǐng)域線圈時(shí)產(chǎn)生更大的密度。相比于電限，壓電材料和驅(qū)動(dòng)器有更多的選擇?？捎眯源蟮枚?。但是，對(duì)分析、建模和設(shè)計(jì)的一無所知將排除任一智能材料。在壓電材料中，重要的數(shù)量是功率密度，即單位體積或單位質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)械功率輸出量。機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)電耦合系數(shù)應(yīng)該是高的。因?yàn)橹匾牟粌H僅是設(shè)備的一次性運(yùn)作，還因?yàn)轵?qū)動(dòng)方式需要許多周期，其他因素也很重要。介電損耗有非常重要的三個(gè)原因。首先，它表明從電能輸入到機(jī)械輸出轉(zhuǎn)換的能源浪費(fèi)。第二，在持續(xù)高驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量可能會(huì)導(dǎo)致材料退化。最后，熱量必須被驅(qū)動(dòng)器體消散一部分。高居里溫度也是可取的，以便在高溫環(huán)境中作業(yè)驅(qū)動(dòng)器自加熱使溫度進(jìn)一步提高。與控制其他高功率應(yīng)用的這些特性相反，如這里提到的之一，共同側(cè)重于壓電系數(shù) d33 和 d31 。壓電材料將用于設(shè)備的堆棧器配置。這堆棧應(yīng)該是機(jī)械僵硬，即夾層薄薄的一點(diǎn)或端蓋。然而，堆棧形狀可以優(yōu)化產(chǎn)生非常匹配流體介質(zhì)的剛度。它應(yīng)該是機(jī)械的不平，且無內(nèi)部制造壓力。它必須能夠承受較高的熱，及運(yùn)作超過十億周期的電力和機(jī)械應(yīng)力環(huán)境。此應(yīng)用至少需要一些其他方面的周期。設(shè)想在 2000 赫茲運(yùn)作 140 小時(shí)的驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)超過 10 億周期。加壓室設(shè)計(jì)與壓電液壓驅(qū)動(dòng)器一樣，壓電泵的目標(biāo)是把電力轉(zhuǎn)換為流體動(dòng)力。能量轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)主要步驟。首先，壓電材料在一個(gè)小腔中加壓液壓油。然后，閥門調(diào)整振蕩壓力使加壓流體流動(dòng)。然而，從壓電里轉(zhuǎn)換每個(gè)周期的大部分能能量需要壓電和流體之間的阻抗匹配（圖 6） 。圖中可用能量的總量在具體的例子中大約是 0.5 焦耳/周期。這種驅(qū)動(dòng)器如果運(yùn)作在 2000 赫茲將產(chǎn)生 1000 瓦。圖 6 ：特定負(fù)載剛度對(duì)壓電每個(gè)周期的能量雖然可用的功率很大，但壓電的高剛度和流體的可壓縮性的阻抗匹配實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)例子，液壓油缸的計(jì)算剛度表明了難以提供一個(gè)負(fù)載從壓電中每個(gè)周期轉(zhuǎn)換最多能量（圖 7） 。結(jié)果表明，即使是小流體腔，有限剛度也減少了每個(gè)周期從壓電中獲得能量。圖 7 ：液壓油缸的典型剛度此外，金屬腔里流體剛度、缸體剛度還降低了裝置的性能。研究缸體剛度設(shè)計(jì)的影響，壓電泵被制造以決定最高獲取的壓降（圖 8） 。在此設(shè)計(jì)，智能材料把流體由設(shè)備的一側(cè)輸送到遠(yuǎn)端。壓電泵將流體輸送到完全封閉的腔室，并在阻壓力的遠(yuǎn)端腔室產(chǎn)生壓升（圖 9） 。腔室和流體腔的有效剛度以阻壓力的值表示（圖 10） 。 圖 8 ：液壓油增壓測(cè)試的設(shè)計(jì)圖 9 ：測(cè)試液壓油增壓的實(shí)驗(yàn)裝置 圖 10 ：有壓電材料的流體增壓測(cè)試結(jié)果一般來說，純粹的液壓油的體積彈性模量就是獨(dú)立壓力。然而，大多數(shù)液壓油有一定的溶氣量，從而導(dǎo)致液體混合物的有效體積模量在低壓變化。為了盡量減少溶氣量的影響，高壓力降低了液體中的空氣的體積分?jǐn)?shù)。通常在阻壓力測(cè)試之前，外部液壓泵從進(jìn)口加壓產(chǎn)生的壓力通常在 250 到 1000 磅之間。然而，通常任何最低限度在 700 磅以上能改善設(shè)備的性能。設(shè)備等級(jí)測(cè)試和結(jié)果一些原型驅(qū)動(dòng)裝置已被開發(fā)和測(cè)試。每代設(shè)備都增加重要數(shù)據(jù)，如一體化程度、帶寬或功率輸出。從單個(gè)壓電棧到完整的機(jī)械功率輸出的測(cè)量，設(shè)備以不同層次的一體化來區(qū)分。在單元的流體動(dòng)力生產(chǎn)核心，即泵，和輸出機(jī)械動(dòng)力的完整驅(qū)動(dòng)器之間的一個(gè)主要區(qū)分已確定。通常情況下，壓電泵的第一次測(cè)試是測(cè)量裝置的阻壓力（圖 11 ） 。在這種情況下，所有外部閥門關(guān)閉，壓電是在低頻啟動(dòng)。小流量泵增加出口的壓力，直到達(dá)到阻壓力。阻壓力試驗(yàn)衡量總體設(shè)備剛度，這對(duì)量化看到的壓電負(fù)載阻抗是非常重要的。然后，充分開放從出口到進(jìn)口的閥門確定設(shè)備的無負(fù)載流量。在這種情況下，多個(gè)壓電的驅(qū)動(dòng)頻率下的流量被記錄。該點(diǎn)的頻率增加不會(huì)增加提供了一個(gè)該器件最大工作頻率的估計(jì)的流量。然后，部分關(guān)閉閥門節(jié)流可以測(cè)量多個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率下的壓力與流量。這是壓電液壓泵純電阻負(fù)荷下的功率的一種測(cè)量方法。圖 11 ：用來定性力量與速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)下一個(gè)測(cè)試是一個(gè)彈簧加載器采用液壓驅(qū)動(dòng)的壓電泵（圖 12 ） 。由于液壓執(zhí)行器壓縮彈簧，在棒中沖程的速度被記錄。這一次測(cè)試將會(huì)給出設(shè)備的全部力量-速度關(guān)系（圖 13 ） ，隨著彈簧壓縮，負(fù)荷增加而速度減小。這個(gè)測(cè)試然后記錄多個(gè)工作頻率下在力量與速度的性能出現(xiàn)最大功率時(shí)的頻率。圖 12 ：用來確定裝置力量速度性能的彈簧負(fù)載圖中，該驅(qū)動(dòng)器被驅(qū)動(dòng)是從一個(gè)極端（高速，低力）到另一個(gè)極端（低速，高力） 。值得注意的是，力量和速度關(guān)系的結(jié)果是功率，并且最大功率輸出是在最大速度的大約 50 ％達(dá)到。具體數(shù)據(jù)顯示為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)頻率的 400 赫茲。特殊裝置已經(jīng)被驅(qū)動(dòng)到 600 赫茲，而另一些已經(jīng)到 1 千赫以上。圖 13 ：壓電液壓驅(qū)動(dòng)器的彈簧負(fù)載測(cè)試結(jié)果42 W 的輸出功率是令人鼓舞的，該設(shè)備的輸出功率與每個(gè)原型一起繼續(xù)增加。然而，被測(cè)的功率大約是把唯一的基本流體損失理想化預(yù)測(cè)所得的 40-50％。更新的模型獲取更多的流體損失和更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。該設(shè)備的未來版本將嘗試速度和力量的雙輸出，將比總輸出功率翻兩番。結(jié)論本文提出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)的概念，即利用智能材料，如壓電，結(jié)合液壓傳動(dòng)制造緊湊型混合動(dòng)力裝置。智能材料常常被用于低力量定位或振動(dòng)控制，但它們內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)之一是它們固有的高能量或功率密度。這可以利用多種方式開發(fā)，本文描述的就是其中之一。基本建?？紤]對(duì)這一類型壓電液壓驅(qū)動(dòng)器作了介紹。解釋了基本的操作，并綜述了粘度、壓縮和內(nèi)部閥開口不足的限制。特別適合于實(shí)際的設(shè)備已提交。對(duì)關(guān)鍵分系統(tǒng)和部件進(jìn)行了討論，并且突出了在每個(gè)子系統(tǒng)和互動(dòng)的子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中重要因素的考慮。解決了有關(guān)壓電材料和驅(qū)動(dòng)器的問題。對(duì)實(shí)現(xiàn)高內(nèi)部壓力的設(shè)計(jì)考慮進(jìn)行了討論。在這種類型的設(shè)備中激烈壓電驅(qū)動(dòng)器和短柱流體之間的匹配阻抗是至關(guān)重要的。本文指出了幾種類型的試驗(yàn)，和闡述了設(shè)備的全面安裝測(cè)試。提出了一個(gè)設(shè)備典型的結(jié)果，和目前正處于發(fā)展的其他高速設(shè)備。鳴謝本文介紹了驅(qū)動(dòng)器在國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局緊湊型混合驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目資助下的發(fā)展，該項(xiàng)目與空軍研究實(shí)驗(yàn)室簽訂了合同。作者感謝主辦者以及格雷戈?包爾斯、布萊恩?赫巴特和理查?華納的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1. 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