rolamie机构原理及设计

rolamie机构原理及设计

0汽车加速度开关ro-4.2加速度开关也称为g开关，是一种感觉加速度并完成移动的性能装置。国内外关于G开关的论述并不多见。G开关的过程分为两个阶段,第一阶段就是感受线性加速度(这时G开关的功能是传感器);第二阶段就是在惯性力作用下完成电源接通(这时G开关的功能是执行器)。为了实现“传感器+执行器”的复合功能,G开关必须具备较高精度(±0.2g)的接触可靠性和负载较强电流(>0.5A)的能力,以及抗高频振动(>100Hz)和抗冲击破坏(>1000g)的能力。到目前为止,已报道的几种微型G开关都是应用在汽车气囊控制系统中的冲击加速度开关。文中论述的G开关是感受线性过载的加速度开关,采用Rolamite机构,经离心、振动和冲击等试验考核,具有结构简单、体积小、接触可靠、接触电阻小、可抵抗较强的高频随机振动和高冲击等特点。Rolamite机构的概念是美国工程师DonaldF.Wilkes发明的。他在研究一个由弯曲弹性带紧贴一对表面的悬挂系统的时候,发现环的中心能够沿水平运动,具有很小的阻力。他灵光闪现,在带子中间插入两个辊柱,由此产生了Rolamite机构。辊柱能够在一个固定的框架内或者水平框架内运动。例如,当辊柱被推向右边的时候,它们向相反的方向转动,但是始终与带子接触,没有滑行、摩擦和滑动的现象,并且Rolamite机构的单元始终不需要润滑。经测试,Rolamite机构的摩擦达到很低的一个数量级,只有最好的球体摩擦的十分之一。辊柱可以是不同的尺寸,如果一个尺寸较小,它转动就比其它的快,这样就可以得到一个变速机构。最基本的Rolamite机构是由两个辊柱和一个一根弹性带组成的。因为弹性带和辊柱以相同的速度运动,因此它们之间没有滑动或者阻尼现象,实际上就是没有摩擦。这种机构是如此的通用,以至于它可以实现如开关、阀门、泵、保险、温度调节装置、力放大器、离合器、速度变换装置、制动器、压力传感控制、螺线管和火警装置等等功能。1ro-4弹性带开孔基本的Rolamite机构有两个辊柱和一个S型弹性带组成。当辊柱运动的时候,弹性带一端伸直同时另一端卷曲。因为辊柱和带子始终是以相同的速度运动,所以它们之间没有摩擦,并且只需要很小的力就可以使它们运动。S型的两个环始终在弯曲和伸直之间转换。只要弹性带是均匀的,两个环相互平衡,则辊柱始终处于静止状态。当在弹性带上开一个锥形孔时,弹性带随开孔的变宽而变得不牢固。最通常的Rolamite机构是由一根弹性带、两个辊柱和两个平行导轨面组成,如图1所示。Rolamite机构最重要的两个优点是:(1)摩擦系数非常的低。组件只有纯滚动运动,实际上没有滑动运动;(2)弹性带能够被设计成力发生器。弹性带上的切口可以产生各种可变的力偏差。Rolamite机构能够制造许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,正的或者是负的弹性参数,二阶或者高阶的力曲线,棘轮等。应用Rolamite机构能够得到负的弹性特征是非常有意义的事情。在过去设计者局限于使用永久磁铁,扭曲螺旋弹簧以及其它间接的不精确的方法,非常难于分析并且不能准确的预测,为了实现瞬时分离或者一触即发的执行动作。应用Rolamite机构负的弹性常数或其它负的力偏差行为能够在不增加额外部件的情况下很容易得到,这对机械放大器、机械振荡器、机械运动探测器以及其它便宜的机械器件在很多应用方面代替磁铁开启了新的领域。2rolacket机的工作原理图2为一个基于Rolamite原理的加速度开关,辊柱是敏感质量块,柔性的弹性带提供弹性力。两个辊柱分别为主动辊柱和从动辊柱,在导轨面内沿敏感軸可以向前和向后运动。当一个力(加速度)作用在Rolamite开关上的时候,辊柱就将克服弹性带的弹性力并且沿弹性带向主动端盖运动。当主动辊柱接触到主动端盖的时候,接触块组件和顶针就接触通电。当有减加速度发生的时候,辊柱就从主动端盖向从动端盖运动,使得电接触断开。壳体中的阻力液用于过滤振动和冲击对敏感质量块的影响。图2中的1为顶针,当作电极;2为主动端盖;3为绝缘圈;4为壳体;5为触点,与顶针连接导通;6为弹性带,提供弹性力;7为主动辊柱;8为从动辊柱;9为绝缘垫;10为从动端盖;11为绝缘圈;12为引线;13为注油孔,开关装配完成后,由此孔向腔体中注入硅油(用作阻尼液),然后用丁晴橡胶密封。3罗门多斯系统的力分析3.1a、b两辊轴接触点图3是Rolamite机构在运动过程中的受力分析图。缠绕在辊轴上的弹性带对辊轴生成沿Y轴的横向作用力fb和fa。a、b两点分别是A、B两辊轴与容器腔体的接触点。Wb、Wa为a、b两点处的弹性带带宽,当Wb、Wa相等时,fb等于fa为平衡状态。通过设计弹性带上的开孔,使Wb、Wa不相等,即可获得所需的横向作用力。作用力的大小与开孔的宽度成正比。F=(Wb-Wa)Eh3/12R2其中:Wb、Wa-接触点位置的弹性带宽度;E-弹性带的弹性模量;h-弹性带的厚度;R-辊轴的半径。3.2小孔开孔区域对应力力的影响图4中列举了几种弹性带开孔形式以及其作用力的形式。图4(a)所示,弹性带上开一方孔,在A辊轴滚动过程中压在方形孔区域,受到一个大小不变的正向作用力,直到滚出开孔的区域。图4(b)所示方形孔的开孔宽度发生改变,受力也会随之发生变化,同时,当A辊柱滚出开孔区域时,B辊柱刚好进入另一开孔区域,产生负向作用力。图4(c)所示开孔为三角形时的受力变化情况。3.3在辊轴上,辊轴具有弹性Rolamite机构的力学及运动学特点:(1)弹性带在拉伸状态下缠绕在辊轴上,辊轴视为刚体;(2)弹性带为弹性材料,工作在弹性范围内;(3)在与限位容器的接触部分有正压力;(4)运动过程中无滑动,两辊轴作相对方向的纯滚动运动,缠绕其上的弹性带随辊轴的滚动从一侧被展开到另一侧。4带模带材料的选择图2所示为我们设计的一个基于Rolamite机构的加速度开关的机构示意图。下面对该加速度开关的各个部分进行详细地描述。在图2中,是一个Rolamite开关,包括壳体、主动端盖、从动端盖、带子、主动辊柱和从动辊柱等。壳体要求用绝缘材料成形,比如玻璃或者塑胶。主动端盖和从动端盖是由导电材料制造的,例如:Kovar(一种镍铁合金)。从动端盖上需要安装顶针,顶针需要由导电材料制造以便与从动端盖连接。带子是由导电材料形成的,最好是钢铁材料。带子是固定在从动端盖上的,最好是采用定位焊接,形成电导和机械连接在从动端。带子绕在两个辊柱上形成一个S形状,紧紧贴在上壳体上,在主动端盖处,带子与主动端盖最好采用粘结。因此,在从动端盖和带子之间形成电导通。带子的尺寸受到壳体、辊柱、质量以及Rolamite开关总体尺寸的约束。带子是由高屈服强度的材料制造而成的,当绕在两个辊柱上的时候能够弯曲并且张紧,并且两端能够固定。所以钢铁是一种理想材料,其它材料也可以应用。因此带子材料能够克服变形即不会因为时间发生蠕变或屈服。从动端盖与顶针应该用导电材料,最好是Kovar合金。因为Kovar合金的热膨胀系数和玻璃的热膨胀系数非常的相似,能够与玻璃很好地键合。也就是说要两个端盖(主动端盖和从动端盖)、顶针的热膨胀系数与壳体的热膨胀系数要非常的相似,顶针与从动端盖用铜焊连接。接触片与主动端盖之间是绝缘的,主动端盖上的顶针由绝缘圈包围着,置入主动端盖上,主动顶针与接触片导通而与主动端盖绝缘。主动端盖与主动顶针最好是用导电材料制造,并且与绝缘圈的热膨胀系数相近。因此主动顶针和主动端盖最好由Kovar合金制造而绝缘圈由玻璃制造。Rolamite开关在运行时,带子作为一个弹簧的作用迫使两个辊柱向从动端盖运动。当壳体以及其中的所有的组件受到一个从主动端盖向从动端盖方向的加速度时,两个辊柱的惯性使得辊柱相对于壳体有一个从动端盖向主动端盖运动的趋势,带子就作为一个弹簧阻止两个辊柱的运动。壳体规定的加速度需要克服带子反方向的力,使得两个辊柱运动,以便使得绕在主动辊柱上的带子能与接触片接触。在规定的加速度值内使得顶针、从动端盖、带子、接触片以及顶针导通。接触片最好是柔性的,以便使得主动辊柱在加速度作用下,带子与接触片接触时,接触片有些许弯曲。柔性可以通过结构上来保证,比如悬臂梁金属结构,金属最好是铍青铜合金,或者是可压缩的导电材料。接触片处最好是镀金,以便减少与带子的接触电阻。最好在壳体的腔体内灌注流体。流体提供了必要的阻力效果,提供了一个加速度时间积分效果,并且减少了运动和振动引起带子的疲劳失效。流体最好选择有很宽温度范围的流体,宽的粘度选择范围,并且必需与腔体内的易腐蚀和易于降低性能的材料兼容,因此最好选择硅油。腔体上的注油孔在灌注油以后必需进行封装,但是腔体内不能灌注过满,必需留一定的空隙,以保证温度升高和降低引起的膨胀和压缩,液体还必需是电绝缘体。带子上有一个力发生孔,它将产生类似于弹簧力的力。最好是根据个人的技巧使得带子能巧妙地储存能量,同时还有带子的厚度,它要使得带子在没有受到外力的作用时,能够平铺在壳体的壁上,并且当绕在两个辊柱上的时候,能够保持平铺在壳体壁上。因此在设计带子上的开孔尺寸是非常重要的,带子上的力发生孔有一个锥度是非常重要的。相应地,带子上接近力发生孔和绕在主动辊柱部分将要产生的平坦力要小于带子绕在从动辊柱部分的力,因此,当带子绕在两个辊柱上的时候,将沿带子产生一个弯曲的力曲线。当力发生孔绕在主动辊柱上的时候,带子接近力发生孔的部分同时接触主动辊柱和壳体上,带子上没有开孔的部分于从动辊柱和壳体接触,带子与下壳体接触的部分将产生一个小于带子与上壳体接触部分产生的平坦力。注意:主动端盖和两个辊柱之间腔体内的液体被阻止通过带子流入到从动端盖部分的腔体内。相应地,阻力就会产生。为了控制这些液体阻力,带子给出了一个流体计量孔,来保证液体从两个辊柱的一端流入另一端,开孔尺寸根据液体的粘性来设计。为了方便液体从腔体的一端流入另一端,从动辊柱最好在流体计量孔处使用哑铃状的形状。5离心试验验证利用大G值精密离心机,对6只样品进行了离心测试。试验结果表明,1#和6#状态始终较稳定,重复性好。2#第一次试验常开点闭合值偏大,第二、第三次恢复正常。3#第一、第二次试验正常,第三次试验出现了卡住的现象。4#始终表现出辊轴与侧壁有卡住的特征,常闭脱开点和常开闭合点相同。5#始终不正常。通过目测可以明显观察到5#的弹性带未拉紧,应为装配问题。3#和4#出现了明显的辊轴卡住的现象。通过离心试验验证,设计加工的Rolamite开关闭合点重复性达到误差0.5