| 工業基礎專欄 | 高頻振盪子驅動結構設計

作者:

陳國豐、林祐廷、林育立

刊登日期:2020/08/31

前言
電磁振盪子(shaker)可以操作到極高頻率,以100 N推力的電磁振盪子規格來看,其動子質量約0.2 kg,因此振動頻率可以高達12000 Hz,且相較於油壓振動系統,整體重量很輕,僅20 kg左右。只是電磁振盪子不能承受過大的軸向負荷,因此在需要預壓的振動系統中,有些使用空氣彈簧結構,應用氣壓抵擋軸向預壓力。但是對於沒有附空氣彈簧結構的振盪子,我們採用了另一種彈簧機構設計,來承受很高的預壓力,以達到類似油壓振動系統廣泛運用的效果。
高頻振盪子驅動結構設計
金屬橡膠元件存在非線性彈性變形的寬廣區域,在每個變形區域的阻尼特性皆不同,因此需要針對不同的靜態負載測試其振動特性。以一般引擎腳來看,靜態負載可能從100~200kg,但是實際高頻振動力只有10~20kg。要在設備上重現這樣的負載狀態,必須設計一組與電磁振盪子平行的施力機構,與振盪子同時作用於被測元件,分散振盪子的預應力。最簡單的方法即使用壓縮彈簧,然而彈簧的作用力會隨著變形量而改變,因此我們選擇了很長的螺旋彈簧,即相對於被測元件較小的彈性係數,使在大靜態負載下,使螺旋彈簧分擔的作用力隋振幅改變的幅度很小。
假設被測元件彈性係數為K0 ,施加預力的螺旋彈簧的彈性係數為 Ks ,被測體振幅為∆S ,則被測元件受力為
             
螺旋彈簧的阻尼係數遠低於橡膠撓性體,所以可以忽略。而若K0 >> Ks,則彈簧的應變力變化亦可以忽略。通常引擎腳測試振幅為0.1 mm左右,以彈性係數1 kg/mm的模具用螺旋彈簧計算,0.1 mm作用力變化為100g,相較於10 kgf的振盪力造成的誤差約1%。
整個預壓結構中,除了預壓彈簧和支撐結構,還必須有量測應力的應變規。此次設計採用規格品的應變規,因此質量較大,但是容易整合到支撐結構中,並且提供可靠的精度預測。參考50 kg規格的應變規,誤差約0.02% @full scale,重量約0.6 kg。此應變規剛性約500 kg/mm,比一般撓性體動剛性約高出10倍,為了減少昂貴的位移計(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)的使用量,所以應變規撓性變量忽略不計,視為絕對剛體。由於應變規量測的作用點位於應變規中心,真正施加於撓性體端面的作用力是應變規讀值再扣除一半的應變規加速度力。反過來說,由於應變規彈性常數知道,所以也可以從應變規兩端受力計算出其變形量。
圖1(a)顯示這樣概念下的三明治結構,為了平衡預壓力與振盪子作用位置,採用左右對稱的配置。由上而下,第一層板與底座為相連固定,第一層彈簧組即為預壓力提供源。振盪子作用力藉由上端細細的垂直推桿作用在第二層板。第二層彈簧組兩旁是撓性體上方端的應變規,有兩個,可以分擔平衡力,並分析振動式否均勻。第三層板與撓性體被測物上方端面鎖固,第四層板與撓性體被測物下方端面鎖固,下方並接第三組預力彈簧及第二組應變規。第五層板下方為第三組應變規,為量測總作用力並計算第五層板位移量。

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