CN103994159B - 一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器及其工作方法，其中压电制动器包括非旋转部件、安装于非旋转部件中的制动器支架、圆环、键、制动盘及旋转部件，圆环位于非旋转部件中且圆环的内圆与制动器支座通过键相连并定位，制动盘的内圆与圆环的外圆相间隙配合，旋转部件安装于圆环上方且与制动盘相固连，采用柔性放大结构的叠层式压电制动器还包括有嵌设于圆环中的叠层压电陶瓷、设置于叠层压电陶瓷一侧的用以提供预紧力的楔块及对叠层压电陶瓷的伸长位移进行放大和控制的等腰三角位移放大结构。本发明采用柔性放大结构的叠层式压电制动器具有体积小，易于加工、装配和使用，无电磁干扰、响应快、易控制等特点。

Description

一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器的工作方法

技术领域：

本发明涉及一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器的工作方法，其属于超声电机领域中的压电执行器。

背景技术：

摩擦式离合制动装置在机械传动中是不可缺少的执行机构，要求能输出尽量大的制动力矩、同时消耗较少的能源且产生不大的位移。在工业制动器和汽车制动器领域通常要求较大的力矩，对精度和功耗等要求无特定要求，因此多采用电磁式作动器来驱动制动部件运动而实现抱紧，形成制动力(矩)。由于电磁作动的机理所致，带来了系统比较复杂、有电磁干扰、难以微小化和控制的缺点，使其在一些要求对制动效果实现精确控制的场合难以得到应用。例如，在航天器的精密轴系里，不仅对制动系统的体积、重量和功耗提出了更高要求，对传动力实现高分辨率的控制、即轴的转速实现无级调控，还要求制动系统具良好的有电磁兼容性——这都是传统的电磁式制动器难以满足的。

压电式制动器是利用压电陶瓷的逆压电效应来实现电能到机械能转换的新型动力输出装置，能够在体积、重量和输出力之间达到良好平衡，而且没有电磁兼容的问题。然而，尽管压电陶瓷能够输出大的推力，但其直接输出的位移很小(纳米级)，很难直接用于推动制动盘实现制动效果。而采用普通机构的放大效果有限(最多几倍)，不能获得数量级的放大，实现较大的位移输出比较困难。此外，微小的位移输出对制动器装配精度要求极高，因此，之前的压电制动仅止步于构想与概念，尚缺乏真正应用的可行性。

发明内容：

本发明提供一种体积小，易于加工、装配和使用，无电磁干扰、响应快、易控制的采用柔性放大结构的叠层式压电制动器及其工作方法。

本发明采用如下技术方案：一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器，其包括非旋转部件、安装于非旋转部件中的制动器支座、圆环、键、制动盘及旋转部件，所述圆环位于非旋转部件中且圆环的内圆与制动器支座通过键相连并定位，所述制动盘的内圆与圆环的外圆相间隙配合，所述旋转部件安装于圆环上方且与制动盘相固连，所述采用柔性放大结构的叠层式压电制动器还包括有嵌设于所述圆环中的叠层压电陶瓷、设置于所述叠层压电陶瓷一侧的用以提供预紧力的楔块及对所述叠层压电陶瓷的伸长位移进行放大和控制的等腰三角位移放大结构。

所述叠层压电陶瓷共包括有三对，且每对叠层压电陶瓷上均设置有一个等腰三角位移放大结构。

所述制动器支座为阶梯状，所述圆环与制动器支座的最上层阶梯相连并定位。

所述采用柔性放大结构的叠层式压电制动器还包括有安装于所述制动盘的外圆环上轴承。

本发明采用如下技术方案：一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器的工作方法，其包括如下步骤：

1)将叠层压电陶瓷嵌于圆环内部，圆环的内圆与制动器支座通过键连接定位；

2)圆环的外圆与制动盘的内圆间隙配合；

3)通过对叠层压电陶瓷施加电压引起叠层压电陶瓷的伸长以使得圆环发生的变形，通过等腰三角位移放大结构对叠层压电陶瓷的伸长位移进行的放大和控制，使得圆环的外圆与制动盘的内圆紧密接触，摩擦制动。

步骤3)中通过调节叠层压电陶瓷的输入电压和频率进而控制圆环外圆与制动盘内圆的接触摩擦力，通过改变制动盘的转速进而实现旋转部件转速的无级调控。

本发明具有如下有益效果：

(1).本发明通过等腰三角位移放大柔性结构设计来对叠层压电陶瓷诱发的变形放大，可确保输出较大的位移和力，通过主从装配结构的设计简化了制动器在应用系统上的安装精度；

(2).通过调节叠层压电陶瓷的激励电压和频率，实现对制动力的精密控制；

(3).在装配上，通过保证圆环外圆与制动盘内圆的间隙配合精度，降低了压电制动器对应用系统的装配精度要求，提高了压电制动器的应用范围；

(4).利用叠层压电陶瓷低电压激励、大推力、响应快的特点，使得制动器能够在毫秒时间范围内实现制动盘抱紧和释放之间交替；

(5).与现有技术相比，本发明还具有更大推重比、更高的制动效率以及更易微型化等优点。

附图说明：

图1是压电制动器的结构示意图。

图2是圆环截面图。

图3是圆环受力变形方式。

图4是圆环内部等腰三角位移放大结构示意图。

其中：

1、旋转部件，2、圆环，3、制动盘，4、轴承，5、键，6、制动器支座，7、非旋转部件，8、叠层压电陶瓷，9、楔块。

具体实施方式：

请参照图1和图2所示，本发明采用柔性放大结构的叠层式压电制动器包括制动旋转部件1、圆环2、制动盘3、轴承4、键5、制动器支座6、非旋转部件7、叠层压电陶瓷8和楔块9。其中制动器支座6安装于非旋转部件7中，制动器支座6为阶梯状；制动主体由圆环2构成，圆环2位于非旋转部件7中且圆环2的内圆与制动器支座6的最上层阶梯通过键5相连并定位，通过键5的固定配合完成转矩传递，同时进一步限制了圆环2沿轴向的旋转自由度；叠层压电陶瓷8共包括有三对，且其嵌于圆环2中，在每一个叠层压电陶瓷8的一侧均设置有楔块9，通过楔块9提供预紧力；其中制动盘3的内圆与圆环2外圆间隙配合，确保了制动器非工作状态下制动盘能够自由旋转，制动器工作状态下能够迅速、有效的控制制动盘的旋转速度；其中旋转部件1安装于圆环2上方且与制动盘3相固连，本发明制动器制动盘3的外圆环上还设有一轴承4。通过精密加工，圆环2和制动盘3的高精度装配可以很容易得到实现。在确保这一级高精度装配后，压电制动器作为一个整体，对应用系统中的装配精度要求能够大幅度的降低。

请参照图1至图2并结合图3至图4所示，本发明采用柔性放大结构的叠层式压电制动器采用了叠层压电陶瓷8作为位移输出元件，将叠层压电陶瓷8嵌于圆环2内部；圆环2的内圆与制动器支座6通过键5连接定位；圆环2的外圆与制动盘3的内圆间隙配合；叠层压电陶瓷8共包括有三对，且每对叠层压电陶瓷8上均设置有一个等腰三角位移放大结构，通过等腰三角位移放大结构对叠层压电陶瓷的伸长位移进行放大和控制，使得圆环外圆与制动盘的内圆紧密接触，摩擦制动。

压电制动器利用了叠层压电陶瓷的逆压电效应，通过对叠层压电陶瓷施加电压引起叠层压电陶瓷的伸长，进而导致制动器圆环的变形，如图3所示。圆环发生变形后，外圆的三个制动点与制动盘内圆摩擦接触。通过调节叠层压电陶瓷的输入电压和频率，可以控制圆环外圆与制动盘内圆的接触摩擦力，改变制动盘的转速，进而实现应用系统中的旋转部件转速的无级调控。

由图4可知，圆环内的三组叠层压电陶瓷模型可以等效为三个等腰三角形。当叠层压电陶瓷伸长Δ时，圆环在其径向的伸长量Δh可以表示为：

$\mathrm{\Δ}h=\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2-{\left(lcos\mathrm{\θ}\right)}^2}-\sqrt{l^2-{\left(lcos\mathrm{\θ}\right)}^2}$

简化，

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}h=\frac{(\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}-\sqrt{l^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2})(\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}+\sqrt{l^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2})}{\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}+\sqrt{l^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}}\\ =\frac{{(l+\mathrm{\Δ})}^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2-l^2+{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}{\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}+\sqrt{l^2+{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}}\\ =\frac{2\mathrm{\Δ}l+{\mathrm{\Δ}}^2}{\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}+\sqrt{l^2-{\left(l\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}}\end{array}$

由此，

$\frac{\mathrm{\Δ}h}{\mathrm{\Δ}}=\frac{2l+\mathrm{\Δ}}{\sqrt{{(l+\mathrm{\Δ})}^2-{\left(lcos\mathrm{\θ}\right)}^2}+\sqrt{l^2-{\left(lcos\mathrm{\θ}\right)}^2}}$

显然，

$\sqrt{{(l+\mathrm{\&Delta;})}^2-{\left(lcos\mathrm{\&theta;}\right)}^2}<\sqrt{{(l+\mathrm{\&Delta;})}^2}=l+\mathrm{\&Delta;}$

$\sqrt{l^2-{\left(lcos\mathrm{\&theta;}\right)}^2}<l$

由此可以知道，

$\frac{\mathrm{\&Delta;}h}{\mathrm{\&Delta;}}>1$

也就是说通过圆环的内部结构设计，叠层压电陶瓷的输出位移Δ得到了放大。并且，

θ越小，cosθ越大，越小

进而可知Δh随θ角变小而变大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器的工作方法，所述采用柔性放大结构的叠层式压电制动器包括非旋转部件(7)、安装于非旋转部件(7)中的制动器支座(6)、圆环(2)、键(5)、制动盘(3)及旋转部件(1)，所述圆环(2)位于非旋转部件(7)中且圆环(2)的内圆与制动器支座(6)通过键(5)相连并定位，所述制动盘(3)的内圆与圆环(2)的外圆相间隙配合，所述旋转部件(1)安装于圆环(2)上方且与制动盘(3)相固连，所述采用柔性放大结构的叠层式压电制动器还包括有嵌设于所述圆环(2)中的叠层压电陶瓷(8)、设置于所述叠层压电陶瓷(8)一侧的用以提供预紧力的楔块(9)及对所述叠层压电陶瓷(8)的伸长位移进行放大和控制的等腰三角位移放大结构，其特征在于：通过对叠层压电陶瓷(8)施加电压引起叠层压电陶瓷的伸长以使得圆环(2)发生的变形，通过等腰三角位移放大结构对叠层压电陶瓷(8)的伸长位移进行的放大和控制，使得圆环(2)的外圆与制动盘(3)的内圆紧密接触，摩擦制动。

2.如权利要求1所述的采用柔性放大结构的叠层式压电制动器的工作方法，其特征在于：通过调节叠层压电陶瓷的输入电压和频率进而控制圆环外圆与制动盘内圆的接触摩擦力，通过改变制动盘的转速进而实现旋转部件转速的无级调控。