rolamie機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)

rolamie機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)

0汽車加速度開關(guān)ro-4.2加速度開關(guān)也稱為g開關(guān)，是一種感覺加速度并完成移動(dòng)的性能裝置。國(guó)內(nèi)外關(guān)于G開關(guān)的論述并不多見。G開關(guān)的過程分為兩個(gè)階段,第一階段就是感受線性加速度(這時(shí)G開關(guān)的功能是傳感器);第二階段就是在慣性力作用下完成電源接通(這時(shí)G開關(guān)的功能是執(zhí)行器)。為了實(shí)現(xiàn)“傳感器+執(zhí)行器”的復(fù)合功能,G開關(guān)必須具備較高精度(±0.2g)的接觸可靠性和負(fù)載較強(qiáng)電流(>0.5A)的能力,以及抗高頻振動(dòng)(>100Hz)和抗沖擊破壞(>1000g)的能力。到目前為止,已報(bào)道的幾種微型G開關(guān)都是應(yīng)用在汽車氣囊控制系統(tǒng)中的沖擊加速度開關(guān)。文中論述的G開關(guān)是感受線性過載的加速度開關(guān),采用Rolamite機(jī)構(gòu),經(jīng)離心、振動(dòng)和沖擊等試驗(yàn)考核,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、接觸可靠、接觸電阻小、可抵抗較強(qiáng)的高頻隨機(jī)振動(dòng)和高沖擊等特點(diǎn)。Rolamite機(jī)構(gòu)的概念是美國(guó)工程師DonaldF.Wilkes發(fā)明的。他在研究一個(gè)由彎曲彈性帶緊貼一對(duì)表面的懸掛系統(tǒng)的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)環(huán)的中心能夠沿水平運(yùn)動(dòng),具有很小的阻力。他靈光閃現(xiàn),在帶子中間插入兩個(gè)輥柱,由此產(chǎn)生了Rolamite機(jī)構(gòu)。輥柱能夠在一個(gè)固定的框架內(nèi)或者水平框架內(nèi)運(yùn)動(dòng)。例如,當(dāng)輥柱被推向右邊的時(shí)候,它們向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng),但是始終與帶子接觸,沒有滑行、摩擦和滑動(dòng)的現(xiàn)象,并且Rolamite機(jī)構(gòu)的單元始終不需要潤(rùn)滑。經(jīng)測(cè)試,Rolamite機(jī)構(gòu)的摩擦達(dá)到很低的一個(gè)數(shù)量級(jí),只有最好的球體摩擦的十分之一。輥柱可以是不同的尺寸,如果一個(gè)尺寸較小,它轉(zhuǎn)動(dòng)就比其它的快,這樣就可以得到一個(gè)變速機(jī)構(gòu)。最基本的Rolamite機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)輥柱和一個(gè)一根彈性帶組成的。因?yàn)閺椥詭Ш洼佒韵嗤乃俣冗\(yùn)動(dòng),因此它們之間沒有滑動(dòng)或者阻尼現(xiàn)象,實(shí)際上就是沒有摩擦。這種機(jī)構(gòu)是如此的通用,以至于它可以實(shí)現(xiàn)如開關(guān)、閥門、泵、保險(xiǎn)、溫度調(diào)節(jié)裝置、力放大器、離合器、速度變換裝置、制動(dòng)器、壓力傳感控制、螺線管和火警裝置等等功能。1ro-4彈性帶開孔基本的Rolamite機(jī)構(gòu)有兩個(gè)輥柱和一個(gè)S型彈性帶組成。當(dāng)輥柱運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,彈性帶一端伸直同時(shí)另一端卷曲。因?yàn)檩佒蛶ё邮冀K是以相同的速度運(yùn)動(dòng),所以它們之間沒有摩擦,并且只需要很小的力就可以使它們運(yùn)動(dòng)。S型的兩個(gè)環(huán)始終在彎曲和伸直之間轉(zhuǎn)換。只要彈性帶是均勻的,兩個(gè)環(huán)相互平衡,則輥柱始終處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)在彈性帶上開一個(gè)錐形孔時(shí),彈性帶隨開孔的變寬而變得不牢固。最通常的Rolamite機(jī)構(gòu)是由一根彈性帶、兩個(gè)輥柱和兩個(gè)平行導(dǎo)軌面組成,如圖1所示。Rolamite機(jī)構(gòu)最重要的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:(1)摩擦系數(shù)非常的低。組件只有純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),實(shí)際上沒有滑動(dòng)運(yùn)動(dòng);(2)彈性帶能夠被設(shè)計(jì)成力發(fā)生器。彈性帶上的切口可以產(chǎn)生各種可變的力偏差。Rolamite機(jī)構(gòu)能夠制造許多力偏差特性的器件,而不需要很多的部件加入,可能得到常值的力杠杠,正的或者是負(fù)的彈性參數(shù),二階或者高階的力曲線,棘輪等。應(yīng)用Rolamite機(jī)構(gòu)能夠得到負(fù)的彈性特征是非常有意義的事情。在過去設(shè)計(jì)者局限于使用永久磁鐵,扭曲螺旋彈簧以及其它間接的不精確的方法,非常難于分析并且不能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),為了實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)分離或者一觸即發(fā)的執(zhí)行動(dòng)作。應(yīng)用Rolamite機(jī)構(gòu)負(fù)的彈性常數(shù)或其它負(fù)的力偏差行為能夠在不增加額外部件的情況下很容易得到,這對(duì)機(jī)械放大器、機(jī)械振蕩器、機(jī)械運(yùn)動(dòng)探測(cè)器以及其它便宜的機(jī)械器件在很多應(yīng)用方面代替磁鐵開啟了新的領(lǐng)域。2rolacket機(jī)的工作原理圖2為一個(gè)基于Rolamite原理的加速度開關(guān),輥柱是敏感質(zhì)量塊,柔性的彈性帶提供彈性力。兩個(gè)輥柱分別為主動(dòng)輥柱和從動(dòng)輥柱,在導(dǎo)軌面內(nèi)沿敏感軸可以向前和向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)力(加速度)作用在Rolamite開關(guān)上的時(shí)候,輥柱就將克服彈性帶的彈性力并且沿彈性帶向主動(dòng)端蓋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)輥柱接觸到主動(dòng)端蓋的時(shí)候,接觸塊組件和頂針就接觸通電。當(dāng)有減加速度發(fā)生的時(shí)候,輥柱就從主動(dòng)端蓋向從動(dòng)端蓋運(yùn)動(dòng),使得電接觸斷開。殼體中的阻力液用于過濾振動(dòng)和沖擊對(duì)敏感質(zhì)量塊的影響。圖2中的1為頂針,當(dāng)作電極;2為主動(dòng)端蓋;3為絕緣圈;4為殼體;5為觸點(diǎn),與頂針連接導(dǎo)通;6為彈性帶,提供彈性力;7為主動(dòng)輥柱;8為從動(dòng)輥柱;9為絕緣墊;10為從動(dòng)端蓋;11為絕緣圈;12為引線;13為注油孔,開關(guān)裝配完成后,由此孔向腔體中注入硅油(用作阻尼液),然后用丁晴橡膠密封。3羅門多斯系統(tǒng)的力分析3.1a、b兩輥軸接觸點(diǎn)圖3是Rolamite機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的受力分析圖。纏繞在輥軸上的彈性帶對(duì)輥軸生成沿Y軸的橫向作用力fb和fa。a、b兩點(diǎn)分別是A、B兩輥軸與容器腔體的接觸點(diǎn)。Wb、Wa為a、b兩點(diǎn)處的彈性帶帶寬,當(dāng)Wb、Wa相等時(shí),fb等于fa為平衡狀態(tài)。通過設(shè)計(jì)彈性帶上的開孔,使Wb、Wa不相等,即可獲得所需的橫向作用力。作用力的大小與開孔的寬度成正比。F=(Wb-Wa)Eh3/12R2其中:Wb、Wa-接觸點(diǎn)位置的彈性帶寬度;E-彈性帶的彈性模量;h-彈性帶的厚度;R-輥軸的半徑。3.2小孔開孔區(qū)域?qū)?yīng)力力的影響圖4中列舉了幾種彈性帶開孔形式以及其作用力的形式。圖4(a)所示,彈性帶上開一方孔,在A輥軸滾動(dòng)過程中壓在方形孔區(qū)域,受到一個(gè)大小不變的正向作用力,直到滾出開孔的區(qū)域。圖4(b)所示方形孔的開孔寬度發(fā)生改變,受力也會(huì)隨之發(fā)生變化,同時(shí),當(dāng)A輥柱滾出開孔區(qū)域時(shí),B輥柱剛好進(jìn)入另一開孔區(qū)域,產(chǎn)生負(fù)向作用力。圖4(c)所示開孔為三角形時(shí)的受力變化情況。3.3在輥軸上,輥軸具有彈性Rolamite機(jī)構(gòu)的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn):(1)彈性帶在拉伸狀態(tài)下纏繞在輥軸上,輥軸視為剛體;(2)彈性帶為彈性材料,工作在彈性范圍內(nèi);(3)在與限位容器的接觸部分有正壓力;(4)運(yùn)動(dòng)過程中無滑動(dòng),兩輥軸作相對(duì)方向的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),纏繞其上的彈性帶隨輥軸的滾動(dòng)從一側(cè)被展開到另一側(cè)。4帶模帶材料的選擇圖2所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)基于Rolamite機(jī)構(gòu)的加速度開關(guān)的機(jī)構(gòu)示意圖。下面對(duì)該加速度開關(guān)的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)地描述。在圖2中,是一個(gè)Rolamite開關(guān),包括殼體、主動(dòng)端蓋、從動(dòng)端蓋、帶子、主動(dòng)輥柱和從動(dòng)輥柱等。殼體要求用絕緣材料成形,比如玻璃或者塑膠。主動(dòng)端蓋和從動(dòng)端蓋是由導(dǎo)電材料制造的,例如:Kovar(一種鎳鐵合金)。從動(dòng)端蓋上需要安裝頂針,頂針需要由導(dǎo)電材料制造以便與從動(dòng)端蓋連接。帶子是由導(dǎo)電材料形成的,最好是鋼鐵材料。帶子是固定在從動(dòng)端蓋上的,最好是采用定位焊接,形成電導(dǎo)和機(jī)械連接在從動(dòng)端。帶子繞在兩個(gè)輥柱上形成一個(gè)S形狀,緊緊貼在上殼體上,在主動(dòng)端蓋處,帶子與主動(dòng)端蓋最好采用粘結(jié)。因此,在從動(dòng)端蓋和帶子之間形成電導(dǎo)通。帶子的尺寸受到殼體、輥柱、質(zhì)量以及Rolamite開關(guān)總體尺寸的約束。帶子是由高屈服強(qiáng)度的材料制造而成的,當(dāng)繞在兩個(gè)輥柱上的時(shí)候能夠彎曲并且張緊,并且兩端能夠固定。所以鋼鐵是一種理想材料,其它材料也可以應(yīng)用。因此帶子材料能夠克服變形即不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間發(fā)生蠕變或屈服。從動(dòng)端蓋與頂針應(yīng)該用導(dǎo)電材料,最好是Kovar合金。因?yàn)镵ovar合金的熱膨脹系數(shù)和玻璃的熱膨脹系數(shù)非常的相似,能夠與玻璃很好地鍵合。也就是說要兩個(gè)端蓋(主動(dòng)端蓋和從動(dòng)端蓋)、頂針的熱膨脹系數(shù)與殼體的熱膨脹系數(shù)要非常的相似,頂針與從動(dòng)端蓋用銅焊連接。接觸片與主動(dòng)端蓋之間是絕緣的,主動(dòng)端蓋上的頂針由絕緣圈包圍著,置入主動(dòng)端蓋上,主動(dòng)頂針與接觸片導(dǎo)通而與主動(dòng)端蓋絕緣。主動(dòng)端蓋與主動(dòng)頂針最好是用導(dǎo)電材料制造,并且與絕緣圈的熱膨脹系數(shù)相近。因此主動(dòng)頂針和主動(dòng)端蓋最好由Kovar合金制造而絕緣圈由玻璃制造。Rolamite開關(guān)在運(yùn)行時(shí),帶子作為一個(gè)彈簧的作用迫使兩個(gè)輥柱向從動(dòng)端蓋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)殼體以及其中的所有的組件受到一個(gè)從主動(dòng)端蓋向從動(dòng)端蓋方向的加速度時(shí),兩個(gè)輥柱的慣性使得輥柱相對(duì)于殼體有一個(gè)從動(dòng)端蓋向主動(dòng)端蓋運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),帶子就作為一個(gè)彈簧阻止兩個(gè)輥柱的運(yùn)動(dòng)。殼體規(guī)定的加速度需要克服帶子反方向的力,使得兩個(gè)輥柱運(yùn)動(dòng),以便使得繞在主動(dòng)輥柱上的帶子能與接觸片接觸。在規(guī)定的加速度值內(nèi)使得頂針、從動(dòng)端蓋、帶子、接觸片以及頂針導(dǎo)通。接觸片最好是柔性的,以便使得主動(dòng)輥柱在加速度作用下,帶子與接觸片接觸時(shí),接觸片有些許彎曲。柔性可以通過結(jié)構(gòu)上來保證,比如懸臂梁金屬結(jié)構(gòu),金屬最好是鈹青銅合金,或者是可壓縮的導(dǎo)電材料。接觸片處最好是鍍金,以便減少與帶子的接觸電阻。最好在殼體的腔體內(nèi)灌注流體。流體提供了必要的阻力效果,提供了一個(gè)加速度時(shí)間積分效果,并且減少了運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)引起帶子的疲勞失效。流體最好選擇有很寬溫度范圍的流體,寬的粘度選擇范圍,并且必需與腔體內(nèi)的易腐蝕和易于降低性能的材料兼容,因此最好選擇硅油。腔體上的注油孔在灌注油以后必需進(jìn)行封裝,但是腔體內(nèi)不能灌注過滿,必需留一定的空隙,以保證溫度升高和降低引起的膨脹和壓縮,液體還必需是電絕緣體。帶子上有一個(gè)力發(fā)生孔,它將產(chǎn)生類似于彈簧力的力。最好是根據(jù)個(gè)人的技巧使得帶子能巧妙地儲(chǔ)存能量,同時(shí)還有帶子的厚度,它要使得帶子在沒有受到外力的作用時(shí),能夠平鋪在殼體的壁上,并且當(dāng)繞在兩個(gè)輥柱上的時(shí)候,能夠保持平鋪在殼體壁上。因此在設(shè)計(jì)帶子上的開孔尺寸是非常重要的,帶子上的力發(fā)生孔有一個(gè)錐度是非常重要的。相應(yīng)地,帶子上接近力發(fā)生孔和繞在主動(dòng)輥柱部分將要產(chǎn)生的平坦力要小于帶子繞在從動(dòng)輥柱部分的力,因此,當(dāng)帶子繞在兩個(gè)輥柱上的時(shí)候,將沿帶子產(chǎn)生一個(gè)彎曲的力曲線。當(dāng)力發(fā)生孔繞在主動(dòng)輥柱上的時(shí)候,帶子接近力發(fā)生孔的部分同時(shí)接觸主動(dòng)輥柱和殼體上,帶子上沒有開孔的部分于從動(dòng)輥柱和殼體接觸,帶子與下殼體接觸的部分將產(chǎn)生一個(gè)小于帶子與上殼體接觸部分產(chǎn)生的平坦力。注意:主動(dòng)端蓋和兩個(gè)輥柱之間腔體內(nèi)的液體被阻止通過帶子流入到從動(dòng)端蓋部分的腔體內(nèi)。相應(yīng)地,阻力就會(huì)產(chǎn)生。為了控制這些液體阻力,帶子給出了一個(gè)流體計(jì)量孔,來保證液體從兩個(gè)輥柱的一端流入另一端,開孔尺寸根據(jù)液體的粘性來設(shè)計(jì)。為了方便液體從腔體的一端流入另一端,從動(dòng)輥柱最好在流體計(jì)量孔處使用啞鈴狀的形狀。5離心試驗(yàn)驗(yàn)證利用大G值精密離心機(jī),對(duì)6只樣品進(jìn)行了離心測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,1#和6#狀態(tài)始終較穩(wěn)定,重復(fù)性好。2#第一次試驗(yàn)常開點(diǎn)閉合值偏大,第二、第三次恢復(fù)正常。3#第一、第二次試驗(yàn)正常,第三次試驗(yàn)出現(xiàn)了卡住的現(xiàn)象。4#始終表現(xiàn)出輥軸與側(cè)壁有卡住的特征,常閉脫開點(diǎn)和常開閉合點(diǎn)相同。5#始終不正常。通過目測(cè)可以明顯觀察到5#的彈性帶未拉緊,應(yīng)為裝配問題。3#和4#出現(xiàn)了明顯的輥軸卡住的現(xiàn)象。通過離心試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)加工的Rolamite開關(guān)閉合點(diǎn)重復(fù)性達(dá)到誤差0.5