摆动式SMA活齿传动系统耦合动力学研究

发布时间：2020-06-28 00:54

【摘要】：摆动式SMA活齿传动系统是一种集SMA传感、控制、驱动与活齿传动功能于一体的高度集成微型机电系统。通过感知复杂环境温度变化或通过精准温度控制来实现定量的输出转矩。与传统电机相比具有结构简单、低速大转矩和易于微型化等优点,特别适于微型机器人、医疗器械以及卫星探测器等尖端技术领域,具有广阔的应用前景。本文通过对摆动式SMA活齿传动系统的工作原理进行分析,建立了SMA丝相变驱动与活齿传动的耦合力学模型,推导出系统的输出转矩方程,并发现摆动式SMA活齿传动系统的输出转矩呈现周期性较大波动。考察了激波器放大系数和活齿偏心距等耦合参数对驱动器输出特性的影响。在连续体振动理论、弹性动力学理论以及SMA相变相关理论基础上,建立了摆动式SMA活齿传动系统的耦合弹性动力学模型,求解了系统的固有频率和振动模态,考察了参数对固有频率的影响。针对摆动式SMA活齿传动系统受到的外部激励和啮合刚度激励,推导出SMA驱动部分、活齿传动部分以及整体耦合的受迫振动方程,分析了激励频率和系统参数对受迫响应的影响。考虑SMA丝相变存在的非线性本构关系和活齿啮合刚度变化引起的非线性,建立了摆动式SMA活齿传动系统驱动部分和传动部分的非线性振动模型与方程,并推导出弱非线性自由振动、接近共振时和远离共振时非线性受迫振动的响应方程,给出了系统的非线性固有频率、响应模态和幅频特性及其随参数变化的规律。在摆动式SMA活齿传动系统的结构设计基础上,完成了样机的加工与调试,对样机输出特性和固有频率进行了试验测量,将理论计算值与实验结果进行对比发现:样机的输出转速与理论值一致,测量样机的最大转矩为7.36Nmm时,理论转矩波谷值与测量转矩值误差为12.59%;采用ANSYS有限元分析和锤击法对样机固有频率进行了模态仿真和试验,最大误差分别为10.4%和17.2%。验证了系统的可行性和理论研究的正确性。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH132.41

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本文编号：2732336