探索壓電驅(qū)動柔性放大機構在飛機剎車領域的應用

張紅 張越

摘要：壓電材料制作成的壓電驅(qū)動器是利用壓電材料的逆壓電效應，具有響應速度快、功耗低 、輸出力大 、無電磁干擾等特點，作為作動器可以彌補電機作動器不足之處。配合柔性放大機構的體積小、無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度和分辨率高等優(yōu)點，適合應用在小型飛行器上，特別是小型無人飛行器，由于尺寸小，重量輕，對起落架剎車制動裝置的尺寸和重量有相當嚴格的限制。

關鍵詞：智能材料;壓電材料;柔性放大機構;飛機剎車系統(tǒng)

一、智能材料概述

智能材料也成靈巧材料，指能感知外部刺激及對所感知的外部刺激做出反應能力的功能材料。主要分為兩大類：1、感知外界刺激（應力、應變、熱、光、電、磁、化學和輻射等），應用在傳感器領域，材料主要有光導纖維、壓電材料、形狀記憶合金等傳感材料;2、對外界刺激做出響應或驅(qū)動的材料（溫度、電場、磁場改變其形狀、尺寸、剛度、振動頻率、阻尼、內(nèi)耗及其他機械性能），應用在驅(qū)動器領域，材料主要有形狀記憶合金、壓電材料、電/磁致伸縮材料、電/磁流變材料和功能凝膠等。本文主要談論智能材料中的壓電材料作為驅(qū)動器在飛機剎車領域的應用，后文也就主要分析壓電材料作為驅(qū)動器的各種性能參數(shù)。

二、壓電材料介紹

2.1壓電材料的發(fā)展歷程

壓電材料是一種非常重要的功能性材料，它的研制已經(jīng)有100多年的歷史

1880年，Jacques Curie和Pierre Curie 兄弟在石英晶體上首次發(fā)現(xiàn)了壓電效應，在應用上沒有引起人們的重視.

第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，推動了壓電晶體在應用方面的快速發(fā)展。 1916年，朗之萬發(fā)明了石英晶體聲換能器;1918年，Cady 研究了羅息鹽壓電晶體在諧振頻率附近的機電耦合性能;1921年又發(fā)展了石英晶體諧振器，隨后，壓電晶體作為頻率控制、濾波器、晶振等電聲器件廣泛應用于無線通信領域;

2.2壓電材料的物理、力學性能

壓電驅(qū)動器的主要驅(qū)動方式為沿厚度方向的振動收縮和沿長度方向的振動收縮，力學模型也就以沿厚度方向和沿長度方向振動建立，基于壓電陶瓷的縱向逆壓電效應和橫向逆壓電效應。

常用的有與極化方向平行的d 33效應和與極化方向垂直的d 31效應，前者使壓電材料產(chǎn)生沿厚度方向的伸縮變形，后者使壓電材料產(chǎn)生沿長度方向的伸縮變形。d 33效應通常用于提供大驅(qū)動力和大位移的壓電疊堆。

壓電材料的特點是在通電狀態(tài)下可以得到連續(xù)的變形量，控制精度高，在微小電壓驅(qū)動下可以達到納米級的位移輸出分辨率;具有很高的頻率特性。壓電驅(qū)動器不產(chǎn)生磁場，也不受磁場干擾，工作過程穩(wěn)定。同時還具有噪聲小、發(fā)熱小、低能耗等特點。

三、柔性放大機構

3.1微位移

微位移驅(qū)動方式主要包括熱變形驅(qū)動、彈性變形驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動和壓電疊堆驅(qū)動等。常用的微位移放大機構主要有杠桿式微位移機構、橋式微位移機構，應用最廣的微位移機構是由單軸柔性鉸鏈構成的多桿柔性機構，這種機構借由對稱分布柔性鉸鏈的彎曲變形獲得相應放大的位移輸出，從而給予并拓展微位移放大機構的應用范圍。具有體積小、無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度和分辨率高等優(yōu)點

3.2影響放大機構位移輸出的因素

下面就以應用最多的正圓形柔性鉸鏈說明影響放大機構位移輸出的因素：

放大機構本身的材料特性、結構尺寸、采用的放大原理對放大倍數(shù)有影響

放大結構形式的影響：就橋式放大而言，橋臂角、柔性鉸鏈形式都會影響位移的輸出

如果采用正圓形柔性鉸鏈形式，鉸鏈的間距、寬度、厚度以及圓弧半徑、位置也會影響位移的輸出.

3.3放大機構的強度、剛度要求

壓電陶瓷剛度和輸出力是有限的，所以放大機構的剛度不能設計得過大，否則無法被陶瓷驅(qū)動。因此，實際應用中，放大機構的系統(tǒng)剛度要根據(jù)所選擇的壓電陶瓷的驅(qū)動能力和機構的負載性能綜合考慮后取一個折中的設計值

機構的結構特性與柔性鉸鏈的轉動剛度影響著機構輸出性能

四、壓電驅(qū)動柔性放大機構在飛機剎車領域應用的探索

根據(jù)對壓電材料和柔性放大機構特性和原理的深入了解，針對機電作動機構的容納空間小、尺寸、重量有嚴格限制的小型飛行器，提出一種新的剎車裝置，即給壓電疊堆加電信號后的產(chǎn)生微位移，利用柔性放大機構將為微位移放大后，產(chǎn)生符合要求的輸出位移和輸出力壓緊剎車片從而產(chǎn)生剎車力剎停飛機。但是要實現(xiàn)這個機構的應用，有兩個難題必須要解決：

剎車過程中因摩擦剎車裝置中的熱庫組件會產(chǎn)生大量的熱，溫度最高可達400℃，因此對壓電材料和柔性放大機構的性能就提出了更高的要求，尤其是壓電材料，當使用環(huán)境的溫度達到居里溫度以上時，材料完全就失去了極化性能，安全的使用溫度一般都在居里溫度一般以下。鈣鈦礦型 （BiScO3 -PbTiO3 ）高溫壓電陶瓷，鎢青銅結構壓電陶瓷和鉍層狀結構壓電陶瓷的居里溫度都可以達到800℃以上，可以滿足剎車環(huán)境中該材料對溫度的需求。

一般飛機的剎車間隙為2.5---3.5毫米，要實現(xiàn)將飛機剎停這一動作，壓緊機構的位移也應該達到2.5---3.5毫米。但是壓電材料加電信號后產(chǎn)生的位移都是微米級，完全滿足不了需求，就是配合柔性放大機構使用，也因為柔性放大機構因自身各種特性位移放大倍數(shù)有限，因此尋找合適結構、材料、形狀的柔性放大機構很關鍵。

參考文獻：

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[4]《幾種智能材料的應用 》 黔南民族師范學院化學化工學院 吳桂玲

[5]《智能材料和智能結構的發(fā)展現(xiàn)狀》 西北工業(yè)大學 鄢健宇，王勇越，李培培