探索压电驱动柔性放大机构在飞机刹车领域的应用

张红 张越

摘要：压电材料制作成的压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，具有响应速度快、功耗低 、输出力大 、无电磁干扰等特点，作为作动器可以弥补电机作动器不足之处。配合柔性放大机构的体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度和分辨率高等优点，适合应用在小型飞行器上，特别是小型无人飞行器，由于尺寸小，重量轻，对起落架剎车制动装置的尺寸和重量有相当严格的限制。

关键词：智能材料;压电材料;柔性放大机构;飞机刹车系统

一、智能材料概述

智能材料也成灵巧材料，指能感知外部刺激及对所感知的外部刺激做出反应能力的功能材料。主要分为两大类：1、感知外界刺激（应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等），应用在传感器领域，材料主要有光导纤维、压电材料、形状记忆合金等传感材料;2、对外界刺激做出响应或驱动的材料（温度、电场、磁场改变其形状、尺寸、刚度、振动频率、阻尼、内耗及其他机械性能），应用在驱动器领域，材料主要有形状记忆合金、压电材料、电/磁致伸缩材料、电/磁流变材料和功能凝胶等。本文主要谈论智能材料中的压电材料作为驱动器在飞机刹车领域的应用，后文也就主要分析压电材料作为驱动器的各种性能参数。

二、压电材料介绍

2.1压电材料的发展历程

压电材料是一种非常重要的功能性材料，它的研制已经有100多年的历史

1880年，Jacques Curie和Pierre Curie 兄弟在石英晶体上首次发现了压电效应，在应用上没有引起人们的重视.

第一次世界大战的爆发，推动了压电晶体在应用方面的快速发展。 1916年，朗之万发明了石英晶体声换能器;1918年，Cady 研究了罗息盐压电晶体在谐振频率附近的机电耦合性能;1921年又发展了石英晶体谐振器，随后，压电晶体作为频率控制、滤波器、晶振等电声器件广泛应用于无线通信领域;

2.2压电材料的物理、力学性能

压电驱动器的主要驱动方式为沿厚度方向的振动收缩和沿长度方向的振动收缩，力学模型也就以沿厚度方向和沿长度方向振动建立，基于压电陶瓷的纵向逆压电效应和横向逆压电效应。

常用的有与极化方向平行的d 33效应和与极化方向垂直的d 31效应，前者使压电材料产生沿厚度方向的伸缩变形，后者使压电材料产生沿长度方向的伸缩变形。d 33效应通常用于提供大驱动力和大位移的压电叠堆。

压电材料的特点是在通电状态下可以得到连续的变形量，控制精度高，在微小电压驱动下可以达到纳米级的位移输出分辨率;具有很高的频率特性。压电驱动器不产生磁场，也不受磁场干扰，工作过程稳定。同时还具有噪声小、发热小、低能耗等特点。

三、柔性放大机构

3.1微位移

微位移驱动方式主要包括热变形驱动、弹性变形驱动、形状记忆合金驱动和压电叠堆驱动等。常用的微位移放大机构主要有杠杆式微位移机构、桥式微位移机构，应用最广的微位移机构是由单轴柔性铰链构成的多杆柔性机构，这种机构借由对称分布柔性铰链的弯曲变形获得相应放大的位移输出，从而给予并拓展微位移放大机构的应用范围。具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度和分辨率高等优点

3.2影响放大机构位移输出的因素

下面就以应用最多的正圆形柔性铰链说明影响放大机构位移输出的因素：

放大机构本身的材料特性、结构尺寸、采用的放大原理对放大倍数有影响

放大结构形式的影响：就桥式放大而言，桥臂角、柔性铰链形式都会影响位移的输出

如果采用正圆形柔性铰链形式，铰链的间距、宽度、厚度以及圆弧半径、位置也会影响位移的输出.

3.3放大机构的强度、刚度要求

压电陶瓷刚度和输出力是有限的，所以放大机构的刚度不能设计得过大，否则无法被陶瓷驱动。因此，实际应用中，放大机构的系统刚度要根据所选择的压电陶瓷的驱动能力和机构的负载性能综合考虑后取一个折中的设计值

机构的结构特性与柔性铰链的转动刚度影响着机构输出性能

四、压电驱动柔性放大机构在飞机刹车领域应用的探索

根据对压电材料和柔性放大机构特性和原理的深入了解，针对机电作动机构的容纳空间小、尺寸、重量有严格限制的小型飞行器，提出一种新的刹车装置，即给压电叠堆加电信号后的产生微位移，利用柔性放大机构将为微位移放大后，产生符合要求的输出位移和输出力压紧刹车片从而产生刹车力刹停飞机。但是要实现这个机构的应用，有两个难题必须要解决：

刹车过程中因摩擦刹车装置中的热库组件会产生大量的热，温度最高可达400℃，因此对压电材料和柔性放大机构的性能就提出了更高的要求，尤其是压电材料，当使用环境的温度达到居里温度以上时，材料完全就失去了极化性能，安全的使用温度一般都在居里温度一般以下。钙钛矿型 （BiScO3 -PbTiO3 ）高温压电陶瓷，钨青铜结构压电陶瓷和铋层状结构压电陶瓷的居里温度都可以达到800℃以上，可以满足刹车环境中该材料对温度的需求。

一般飞机的刹车间隙为2.5---3.5毫米，要实现将飞机刹停这一动作，压紧机构的位移也应该达到2.5---3.5毫米。但是压电材料加电信号后产生的位移都是微米级，完全满足不了需求，就是配合柔性放大机构使用，也因为柔性放大机构因自身各种特性位移放大倍数有限，因此寻找合适结构、材料、形状的柔性放大机构很关键。

参考文献：

[1]《杠杆原理及其应用浅析》 聊 城 大 学 传 媒 技 术 学 院 王学新

[2]《基于混合铰链的三维桥式放大机构的建模、分析与试验》 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室 陈方鑫 高福天 杜志江等

[3]《用于压电驱动器位移放大的柔性铰链放大机构研究》 嘉兴学院机电工程学院 郑丽云 沈剑英等

[4]《几种智能材料的应用 》 黔南民族师范学院化学化工学院 吴桂玲

[5]《智能材料和智能结构的发展现状》 西北工业大学 鄢健宇，王勇越，李培培