ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД
LINEAR DRIVE

Изобретение относится к виброзащитной технике, а именно к системам активной виброизоляции (подвескам и опорам), применяемым в мобильных машинах, инженерных сооружениях и космической технике.
Известна конструкция магнитострикционного линейного привода (актуатора), организующего линейное перемещение подпружиненного штока, связанного с активным элементом в виде магнитострикционного стержня, установленного в электромагнитной катушке внутри цилиндрического корпуса в виде стакана с глухим дном. Для увеличения рабочего хода штока в линейном приводе применен рычажный передаточный механизм, выполненный из шарнирно связанных между собой через серьгу рычагов второго и первого рода, передающих линейное движение от магнитострикционного стержня к подпружиненному штоку (Н.Janocha, Application potential of magnetic field driven new actuators / Sensors and Actuators A 91 (2001), pp.128, 129, fig.5).
Известна конструкция активного виброизолятора (Active Vibration Isolation - AVI), в котором виброизолируемая масса (объект) установлена враспор между внутренними торцами двух линейных пьезоприводов. При этом их внешние торцы стянуты между собой жесткой ограничительной связью. При этом при уменьшении или увеличении длины одного из приводов соответственно увеличивается или уменьшается длина второго (U.Stobener, L.Gaul, PIEZOELECTRIC STACK ACTUATOR: FE-MODELING AND APPLICATION FOR VIBRATION ISOLATION / Responsive Systems for Active Vibration Control. Edited by Andre Preumont. NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry - Vol.85 / Kluwer Academic Pubiishers/Dordrecht/Boston/London (Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Responsive Systems for Active Vibration Control, Brussels, Belgium, 10-19 September 2001), 2002, pp.259-261, fig.4-5).
Известна также конструкция пьезоэлектрического линейного привода - активного элемента, предназначенного для использования в космических ферменных конструкциях для организации активного демпфирования в режимах колебаний. Линейный привод выполнен в виде установленных внутри стержня враспор последовательно расположенных пьезокерамических секций между подвижными концевыми элементами (Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. / Г.А.Молодцов, В.Е.Биткин, В.Ф.Симонов, Ф.Ф.Урманов. - М.: Машиностроение, 2000. - 352 с.: ил., с.201-203, рис.8.1 - прототип).
Указанные линейные приводы имеют следующие недостатки:
1. В связи с тем, что величина максимального хода выходного звена линейного привода прямо пропорциональна длине его активного элемента, выполненного из магнитострикционных, пьезокерамических и др. подобных материалов, увеличение максимального рабочего хода возможно лишь за счет увеличения длины активного элемента или их секций, а также путем применения рычажных или других передаточных механизмов, что затрудняет его применение в качестве активного виброизолятора или прецизионного актуатора в конструкциях с ограниченным пространством вдоль линии действия привода.
2. Из пьезокерамической заготовки с диаметром, равным диаметру круга, или пластины активной пьезокерамической секции можно изготовить лишь одну секцию. Техническим результатом предлагаемого технического решения является:
1) уменьшение габаритных размеров линейного привода в осевом направлении, увеличение амплитуды его перемещений при неизменном значении максимальных перемещений или увеличение амплитуды перемещения привода при сохранении осевого габаритного размера, что позволяет организовать активную виброизоляцию систем на более низких частотах;
2) увеличение количества пьезокерамических секций, изготавливаемых из одной заготовки, т.е. повышение безотходиости производства.
Это достигается тем, что в линейном приводе, содержащем установленные последовательно внутри корпуса привода активные секции, выполненные в виде пьезоэлементов, связанные со штоком привода, активные секции и корпус привода выполнены коаксиальными, при этом смежные активные секции сопряжены между собой соответственно через днища и наружные торцевые буртики стаканов, а свободные торцы крайних активных секций сопряжены соответственно с дном корпуса и штоком.
В линейном приводе шток выполнен подпружиненным относительно корпуса привода.
В линейном приводе, содержащем установленные последовательно внутри корпуса привода активные секции, выполненные в виде пьезоэлементов, связанные со штоком привода, корпус выполнен в виде жестко связанных между собой наружного и внутреннего коаксиальных глухих цилиндров, при этом наружный конец внутреннего цилиндра снабжен буртиком, а наружный цилиндр закрыт крышкой с центральным отверстием, через которое выведен наружу корпуса привода с возможностью осевого перемещения внешний конец штока, внутренний конец штока снабжен концевым и промежуточным буртами, наружные поверхности которых сопряжены соответственно с внутренними поверхностями внутреннего и наружного коаксиальных глухих цилиндров корпуса привода, при этом между внутренней торцевой поверхностью концевого бурта и буртиком внутреннего цилиндра корпуса привода, дном наружного цилиндра корпуса привода и внутренней торцевой поверхностью промежуточного бурта установлены враспор активные секции, выполненные в виде коаксиальных наружному и внутреннему цилиндрам корпуса привода кольцевых пластин из пьезоэлементов.
В линейном приводе площади поперечных сечений смежных коаксиальных активных секций выполнены равными.
В линейном приводе активные секции выполнены из магкитострикционното материала и установлены внутри электромагнитной катушки.
На фиг.1 представлено схематическое изображение линейного пьезопривода с увеличенным ходом выходного звена.
На фиг.2 представлено схематическое изображение линейного пьезопривода с увеличенным ходом выходного звена и возвратной пружиной.
На фиг.3 представлено схематическое изображение варианта линейного пьезопривода с увеличенным ходом выходного звена.
Линейный привод состоит из установленных внутри корпуса 1 активных секций 2, 3 и 4, выполненных в виде пьезоэлементов, взаимодействующих со штоком привода 5. При этом активные секции 2, 3, 4 выполнены коаксиальными. Смежные активные секции 2, 3 и 3, 4 соответственно сопряжены между собой через днища и торцевые буртики стаканов 6, 7 и 8 соответственно. Шток привода 5 жестко соединен с днищем стакана 8 и установлен в корпусе 1 с возможностью осевого перемещения. При этом шток привода 5 может быть подпружинен относительно корпуса 1 возвратной пружиной 9.
На фиг.3 изображен вариант линейного пьезопривода с увеличенным рабочим ходом, в котором активные секции 2 и 3 установлены враспор относительно штока привода 5 и корпуса 1. В данном варианте шток привода 5 дополнен концевым 10 и промежуточным 11 буртами, стаканы 6 и 7 жестко связаны между собой общим днищем, а днище стакана 6 выполнено с осевым отверстием для перемещения штока привода 5. Стакан 7 закрыт крышкой 12 с отверстием, центрирующим шток привода 5.
Зазоры в соединениях выбираются при сборке линейного пьезопривода.
Для обеспечения одинаковых усилий на штоке в процессе его перемещения площади поперечных сечений смежных коаксиальных активных секций выполнены равными.
Работает линейный пьезопривод следующим образом. При увеличении длины активных секций 2, 3 и 4 движение через стаканы 6, 7 и 8 передается штоку привода 5. При этом днище стакана 8 выдвигаются до упора с корпусом 1, а рабочий ход штока привода 5 равен сумме рабочих ходов активных секций 2, 3 и 4. При уменьшении длины активных секций 2, 3 и 4 возвратное движение штока привода 5 и стаканов 6, 7 и 8 происходит под действием силы тяжести или упругих свойств перемещаемого (виброизолируемого) объекта. При этом днища стаканов 6, 7 и 8 опускаются до упора друг с другом, а их буртики - до упора с корпусом 1. Рабочий ход штока привода 5 также равен сумме рабочих ходов активных секций 2, 3 и 4. В случае отсутствия обратного воздействия объекта на шток привода 5, последний, при необходимости, может быть подпружинен относительно корпуса 1 возвратной пружиной 9 (фиг.2).
На фиг.3 представлен вариант линейного пьезопривода с увеличенным ходом выходного звена, в котором благодаря установке активных секций 2 и 3 враспор относительно штока привода 5 и корпуса 1 осевое усилие от штока передается в обоих направлениях. Здесь при уменьшении длины активной секции 2 производят увеличение длины активной секции 3 на ту же величину. При этом происходит выдвижение через отверстие в крышке 12 конца штока привода 5, и наоборот, при увеличении длины активной секции 2 производят уменьшение длины активной секции 3 на ту же величину. При этом происходит втягивание через отверстие в крышке 12 конца штока привода 5.
При необходимости на элементах линейного привода могут быть установлены датчики силы и акселерометры.
Как вариант исполнения в линейном приводе активные секции могут быть выполнены из магнитострикционного материала. В этом случае в корпусе 1 дополнительно устанавливается одна или несколько электромагнитных катушек (не показаны).
Линейный пьезопривод, выполненный по данной схеме (фиг.3), позволяет по сравнению с традиционными вариантами исполнения либо увеличить в два раза максимальный ход выходного звена (штока привода) при той же высоте корпуса, либо при том же максимальном рабочем ходе уменьшить в два раза высоту корпуса линейного пьезопривода. Следует отметить, что предлагаемое техническое решение позволяет увеличивать ход выходного звена линейного привода (штока) не только в два раза, но и более за счет наращивания количества активных секций и, соответственно, стаканов с учетом возможных ограничений по габаритам поперечного сечения линейного привода.
За счет увеличения хода выходного звена линейного привода расширяется диапазон его функциональных возможностей. В частности, при использовании линейного привода в качестве активного виброизолятора или гасителя колебаний расширяется диапазон частот виброизоляции (виброгашения) в сторону более низких.
За счет коаксиального исполнения активных секций улучшается показатель безотходности производства.