摩托車專用升降平臺設(shè)計

摩托車專用升降平臺設(shè)計,摩托車,專用,升降,平臺,設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）英文資料翻譯 題目 壓電液壓驅(qū)動器的設(shè)計和測試 摘要 本文介紹的設(shè)計方法是建設(shè)一個使用智能材料提供液壓流體動力的驅(qū)動器。在被描述的驅(qū)動器類，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，以提取物質(zhì)的最高大量能源，以及液壓缸在低頻驅(qū)動提供長沖程。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，以及流體機(jī)械接口領(lǐng)域的基本設(shè)計權(quán)衡和重大技術(shù)問題存在爭論。提出原型設(shè)備和元件測量。介紹測試方法，測試量化泵壓力和流量，得出動力量和速度。一系列的試驗表明由智能材料提供強(qiáng)力長沖程驅(qū)動的裝置的可能性。 關(guān)鍵詞：壓電，智能材料， 壓電液壓 ，驅(qū)動，電源的電線，水泵 導(dǎo)言 智能材料，如壓電， 磁限和電限長期應(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)動的驅(qū)動器。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)動力的設(shè)計。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。最近，研究人員已經(jīng)認(rèn)識到整合智能材料和液體，使泵的一個基本組成部分加以利用線性驅(qū)動的可能性。這種新方法有望實現(xiàn)長沖程高功率驅(qū)動。 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)動相比，壓電液壓驅(qū)動有優(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)動滾珠絲杠，壓電液壓驅(qū)動提供強(qiáng)力液壓和潛在的更迅速的響應(yīng)時間。相比于傳統(tǒng)液壓，新型驅(qū)動器在熱分布和漏油方面有不利之處。與電磁驅(qū)動器相比，盡管使用少量液壓油，新型驅(qū)動器仍然需要電氣和液壓一體化。壓電液壓驅(qū)動的這些特點(diǎn)中有許多和電限驅(qū)動器（ 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)動比其他EHAs在壓電材料本身的能量密度方面有一個潛在的優(yōu)勢。提取這種能量是一項艱巨的任務(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)換電力輸入由一個驅(qū)動器輸出缸將機(jī)械動力傳到外部負(fù)載。設(shè)計始于壓電智能材料，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)動器的驅(qū)動器在其他地方討論，但它也是一個考慮。像許多系統(tǒng)，整體設(shè)計是一項綜合性和反復(fù)的工作，單個的組件能夠被設(shè)計，但需要重新設(shè)計與其他子系統(tǒng)相配合。子系統(tǒng)和系統(tǒng)級在這一進(jìn)程中測試元件。測試以個別要素之間的互動和合作為特點(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，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)計理念的下一步，和闡述各個關(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)計和描述原型器件。分析部分或全部器件特性的各種測試方法，強(qiáng)調(diào)每種方法的價值。本文通過測試結(jié)果和解釋對多代壓電液壓設(shè)備得出結(jié)論。 固液混合驅(qū)動 更廣泛地說，壓電液壓或智能材料液壓驅(qū)動可稱為“固液混合”驅(qū)動。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。由于有液壓蓄能器和另一個閥門，固體介質(zhì)可以不在所要求的負(fù)荷時的頻率下運(yùn)行。一般來說，固體驅(qū)動器運(yùn)行的頻率遠(yuǎn)高于所要求的負(fù)荷時的頻率，也許達(dá)到100倍。 雖然理論上是吸引人的，但實際的限制會限制固液混合驅(qū)動方式的效率。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)動器和驅(qū)動器的總輸出功率有效帶寬。同時，如果最大功率驅(qū)動器是可用來驅(qū)動機(jī)械負(fù)荷，必須非常小心地設(shè)計使流體的輸送和輸出符合驅(qū)動器的特點(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)備組成有幾個要素組成：剛度為k的固態(tài)要素推動面積為A1的活塞對工作流體加壓，流體通道通過四個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)動器概念 圖2顯示了混合驅(qū)動器的動作順序。閥門開口定時使加壓流體到一個輸出缸的分室。固態(tài)驅(qū)動器在沖程時，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)反向移動到活塞的另一側(cè)以達(dá)到平均流動。 前進(jìn) 反向 增壓或入口 降壓或出口 圖2 ：混合驅(qū)動器操作順序 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，以實現(xiàn)在任何特定驅(qū)動因素下大范圍的力量-速度輸出特性。然而，張力動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時的最大的機(jī)械動力是 其中Fb是驅(qū)動器阻力值，δMAX是驅(qū)動器的最大自由誘發(fā)沖程（Ps是“零速”壓力，即沒有流體可移動時驅(qū)動器的壓力，且ΔVMAX = A1 δMAX）。在固態(tài)驅(qū)動器的負(fù)載線力量-位移之下對應(yīng)的工作量的最大值區(qū)域可以表示為長方形，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)動器的加壓腔有一種有限流體的動剛度。加壓腔剛度示是A1 / βV ,其中β是流體可壓縮性。腔的流體剛度顯示了對驅(qū)動器的載荷，如圖3所示 ，從而降低了最高可達(dá)到的壓力和動力輸出，它們分別為 圖3 ：混合驅(qū)動器的工作顯示損失的解釋 流體從加壓腔流動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： 很難在實際中得到等式1 中計算的輸出功率。實際上，等式2給出了特定驅(qū)動器的最大輸出功率。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ΔPV）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)動器的輸出軸的位置，因為它一段時間內(nèi)增加的總體反應(yīng)是低于壓電響應(yīng)超過一個數(shù)量級。 圖4 ：在啟動時產(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)動器的最大驅(qū)動力的基本限制不僅包括固態(tài)驅(qū)動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提供一個簡單的表達(dá)式可以實現(xiàn)在最大輸出功率下估計運(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)動器的外部載荷。 顯然，有必要精心設(shè)計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)備中做過測試。 驅(qū)動器概念 智能材料液壓傳動的主要部分的基本概念如圖1所示。這一概念連同設(shè)計的實物照片在框形圖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)字信號處理器(DSP)進(jìn)行必要的計算，以配合指令，傳送遙感信息，規(guī)范驅(qū)動和閥門定時。高功率放大器驅(qū)動主要的智能材料驅(qū)動器，低功率放大器驅(qū)動里的任何活躍閥門。主要的加壓驅(qū)動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)動器活塞驅(qū)動頻率范圍為內(nèi)部驅(qū)動器驅(qū)動頻率的1/100到1/50。驅(qū)動器輸出驅(qū)動負(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力驅(qū)動器的基本架構(gòu) 執(zhí)行器基本上是一個泵，有時被稱為增壓和閥門（PVA），加上一個輸出設(shè)備。這兩個子系統(tǒng)之間的耦合是重要的，沒有考慮輸出驅(qū)動器和負(fù)載的泵的設(shè)計會導(dǎo)致效率低下。最一般的設(shè)計中，無論是首要驅(qū)動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)成兩個大組。 顯然，內(nèi)部流體路徑的長度應(yīng)限于對高帶寬操作，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。對工作流來說，高體積彈性模量和低粘度是首選。在實際中，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。 整個驅(qū)動器的關(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，一些主動和被動的閥已被測試。高速被動閥性能較差，但機(jī)構(gòu)很簡單。被動閥結(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。主動閥開啟和關(guān)閉的時機(jī)對高效率運(yùn)作是至關(guān)重要的，一定程度上，每個周期無慣性扭轉(zhuǎn)時閥的形狀是首選。 壓電材料和制動器 在過去20年設(shè)備的發(fā)展和演變中，壓電驅(qū)動器的使用已被公認(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控制。 混合驅(qū)動器需要智能材料應(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)域線圈時產(chǎn)生更大的密度。相比于電限，壓電材料和驅(qū)動器有更多的選擇?？捎眯源蟮枚?。但是，對分析、建模和設(shè)計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。因為重要的不僅僅是設(shè)備的一次性運(yùn)作，還因為驅(qū)動方式需要許多周期，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)動時產(chǎn)生的熱量可能會導(dǎo)致材料退化。最后，熱量必須被驅(qū)動器體消散一部分。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小時的驅(qū)動器試驗超過10億周期。 加壓室設(shè)計 與壓電液壓驅(qū)動器一樣，壓電泵的目標(biāo)是把電力轉(zhuǎn)換為流體動力。能量轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)有兩個主要步驟。首先，壓電材料在一個小腔中加壓液壓油。然后，閥門調(diào)整振蕩壓力使加壓流體流動。然而，從壓電里轉(zhuǎn)換每個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)載剛度對壓電每個周期的能量 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際上難以實現(xiàn)。作為一個例子，液壓油缸的計算剛度表明了難以提供一個負(fù)載從壓電中每個周期轉(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，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 ：液壓油增壓測試的設(shè)計 圖9 ：測試液壓油增壓的實驗裝置 圖10 ：有壓電材料的流體增壓測試結(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)備等級測試和結(jié)果 一些原型驅(qū)動裝置已被開發(fā)和測試。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。從單個壓電棧到完整的機(jī)械功率輸出的測量，設(shè)備以不同層次的一體化來區(qū)分。在單元的流體動力生產(chǎn)核心，即泵，和輸出機(jī)械動力的完整驅(qū)動器之間的一個主要區(qū)分已確定。 通常情況下，壓電泵的第一次測試是測量裝置的阻壓力（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。小流量泵增加出口的壓力，直到達(dá)到阻壓力。阻壓力試驗衡量總體設(shè)備剛度，這對量化看到的壓電負(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，多個壓電的驅(qū)動頻率下的流量被記錄。該點(diǎn)的頻率增加不會增加提供了一個該器件最大工作頻率的估計的流量。然后，部分關(guān)閉閥門節(jié)流可以測量多個驅(qū)動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量方法。 圖11 ：用來定性力量與速度的實驗測試系統(tǒng) 下一個測試是一個彈簧加載器采用液壓驅(qū)動的壓電泵（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。這一次測試將會給出設(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。這個測試然后記錄多個工作頻率下在力量與速度的性能出現(xiàn)最大功率時的頻率。 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)動器被驅(qū)動是從一個極端（高速，低力）到另一個極端（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)動頻率的400赫茲。特殊裝置已經(jīng)被驅(qū)動到600赫茲，而另一些已經(jīng)到1千赫以上。 圖13 ：壓電液壓驅(qū)動器的彈簧負(fù)載測試結(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原型一起繼續(xù)增加。然而，被測的功率大約是把唯一的基本流體損失理想化預(yù)測所得的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。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 本文提出了一個驅(qū)動的概念，即利用智能材料，如壓電，結(jié)合液壓傳動制造緊湊型混合動力裝置。智能材料常常被用于低力量定位或振動控制，但它們內(nèi)在的優(yōu)勢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]對這一類型壓電液壓驅(qū)動器作了介紹。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。特別適合于實際的設(shè)備已提交。對關(guān)鍵分系統(tǒng)和部件進(jìn)行了討論，并且突出了在每個子系統(tǒng)和互動的子系統(tǒng)的設(shè)計中重要因素的考慮。解決了有關(guān)壓電材料和驅(qū)動器的問題。 對實現(xiàn)高內(nèi)部壓力的設(shè)計考慮進(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，和闡述了設(shè)備的全面安裝測試。提出了一個設(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)動器在國防部高級研究計劃局緊湊型混合驅(qū)動項目資助下的發(fā)展，該項目與空軍研究實驗室簽訂了合同。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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