WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 14 |
Содержание Введение.............................................................................................................. 5 Глава 1 Гироскопы............................................................................................. 7 1.1 Гироскопический эффект............................................................................ 7 1.2 Область применения гироскопов..............................................................10 1.3 Классификация гироскопов.......................................................................14 1.4 Микромеханические гироскопы (ММГ)..................................................22 1.5 Роторные микромеханические гироскопы...............................................26 1.6 Классификация микромеханических гироскопов...................................29 1.7 Особенности конструкции чувствительного элемента ММГ................30 1.8 Основные схемы и виды движений чувствительных элементов гироскопов RR-типа.........................................................................................32 1.9 Источники погрешностей в работе гироскопов......................................35 Выводы по главе 1............................................................................................37 Глава 2 Теория надёжности. Методы расчёта надёжности..........................38 Выводы по главе 2............................................................................................46 Глава 3 Кремний как основной материал изготовления ММГ....................47 3.1 Свойства кремния.......................................................................................47 3.2 Технологии производства микроэлектромеханических систем (MEMS)..............................................................................................................49 3.3 Зависимость частоты колебаний механизма от свойств кремния.........50 Выводы по главе 3............................................................................................Глава 4 Расчёт долговечности гироскопов....................................................4.1 Расчёт напряжений в упругих элементах гироскопа MARS-LL..........4.1.1 Принцип работы микромеханического гироскопа LL-типа...............4.1.2 Исходные данные....................................................................................4.1.3 Расчёт оптимальных длин упругих подвесов (торсионов).................4.1.4 Расчёт максимальных нормальных напряжений.................................4.2 Расчёт напряжений в упругих элементах роторного гироскопа ЦНИИ “Электроприбор”..................................................................................4.2.1 Принцип работы микромеханического роторного гироскопа............4.2.2. Разработка роторного гироскопа в ЦНИИ «Электроприбор»...........4.2.3 Исходные данные....................................................................................4.2.4 Определение максимального изгибающего момента..........................4.2.5 Расчёт максимальных нормальных напряжений.................................4.3 Расчёт долговечности гироскопов с применением критерия Коффина-Мэнсона............................................................................................4.4 Проектный расчёт долговечности для гироскопа LL-типа....................4.5 Проектный расчёт долговечности для гироскопа RR-типа...................Выводы по главе 4............................................................................................Глава 5 Вероятностный подход к расчёту долговечности гироскопа........5.1 Расчёт долговечности ММГ LL-типа с применением распределения Рэлея........................................................................................5.2 Расчёт долговечности ММГ RR-типа с применением распределения Вэйбулла............................................................................................................5.3 Методика расчёта надёжности микрогироскопа LL-типа......................Пример расчётов...............................................................................................Результаты расчёта надёжности микрогироскопа LL-типа.........................5.4 Методика расчёта надёжности микрогироскопа RR-типа.....................Пример расчётов...............................................................................................Результаты расчёта надёжности микрогироскопа RR-типа.......................Заключение......................................................................................................Список литературы:.......................................................................................Приложение 1..................................................................................................Приложение 2..................................................................................................Приложение 3..................................................................................................Приложение 4..................................................................................................Приложение 5..................................................................................................Приложение 6..................................................................................................Введение В учебном пособии поставлена цель – произвести расчёт надёжности упругих элементов подвесов микрогироскопов (МГ) на основании выбранного метода и разработать методику расчёта надёжности.

Для этого поставлены задачи: описать принципы работы МГ и основные схемы подвесов; рассчитать долговечность по заданному пределу усталости, вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, гамма-процентный ресурс, используя вероятностный подход;



показать пример расчёта долговечности упругого элемента в зависимости от его геометрии.

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали ученых и инженеров многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи.

Микромеханические гироскопы (ММГ) – третье из самых востребованных применений в Микроэлектромеханической (MEMS) индустрии интегральных датчиков по объемам продаж (после акселерометров и датчиков давления). Востребованность гироскопов поддерживается многими рынками – клиентским, медицинским, промышленным и военным.

Тенденция к использованию микромеханических гироскопов, хотя они работают не так долго как классические и менее точны, объясняется многими факторами. Они имеют малую массу, габариты и энергопотребление, низкую стоимость. Также они обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Например, при испытаниях одного из продуктов, произведенных при содействии Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета, после разрушения снаряда оказалось, что гироскоп продолжал функционировать. Т.е. при испытаниях он выдержал нагрузку 3000g.

Проблема состоит в том, чтобы добиться точности, прочности и навигационной функциональности. Так же встает вопрос о надёжности.

Работ по данной тематике крайне мало. Существующие стенды служат для испытаний частотных характеристик. Программные продукты тоже ориентированы на частотные характеристики. Данных о надёжности и долговечности нет. Сбор статистики осложнен секретностью (либо военной, либо коммерческой). Но статистику можно смоделировать [1].

Один из основных показателей надёжности – долговечность.

Предлагается проводить расчёты циклической долговечности упругих элементов подвеса МГ в условиях динамического нагружения.

Для наглядности в учебном пособии приведены расчёты надёжности двух микрогироскопов LL-типа (гироскоп MARS-LL – Институт HSG-IMIT (ФРГ)) и RR-типа (роторный гироскоп ЦНИИ «Электроприбор» ММГ-1, -2).

Глава 1 Гироскопы 1.1 Гироскопический эффект Термин гироскоп можно перевести как «наблюдатель вращений» (от греч. gyros – круг, кружусь, вращаюсь и scopeo – смотрю, наблюдаю).

Термин был предложен в 1852 году французским ученым Фуко для изобретенного им прибора, предназначенного для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Фуко поместил вращающийся маховик в некоторое устройство, называемое кардановым подвесом, поэтому долгое время слово гироскоп использовалось для обозначения быстро закрученного вращающегося симметричного твердого тела.

Сейчас этот термин (рис. 1.1) используется для названия устройств, содержащих материальный объект, который совершает быстрые периодические движения. В результате этих движений устройство становится чувствительным к вращению в инерциальном пространстве.

Рис. 1.1. Модель традиционного гироскопа с тремя степенями свободы (с двумя рамками карданова подвеса), кинематическая схема I – ось собственного вращения ротора, вдоль которой направлен его кинетический момент; I0 – опорное направление кинетического момента; – угол отклонения внутренней рамки карданова подвеса; – угловая скорость поворота внутренней рамки подвеса (прецессия); M – момент возмущающей внешней силы;

– угловая скорость поворота внешней рамки подвеса (нутация) Согласно законам классической ньютоновской механики, скорость поворота оси гироскопа в пространстве обратно пропорциональна его собственной угловой скорости и, следовательно, ось очень быстро закрученного гироскопа поворачивается столь медленно, что на некотором интервале времени ее можно использовать в качестве указателя неизменного направления в пространстве.

Гироскопический эффект создается той же самой центробежной силой, которая действует на волчок, вращающийся, например, на столе. В точке опоры волчка о стол возникают сила и момент, под действием которых ось вращения волчка отклоняется от вертикали, а центробежная сила вращающейся массы, препятствуя изменению ориентации плоскости вращения, вынуждает волчок вращаться и вокруг вертикали, сохраняя тем самым заданную ориентацию в пространстве.

Таким вращением, называемым прецессией, ротор гироскопа отвечает на приложенный момент силы относительно оси, перпендикулярной оси его собственного вращения. Вклад масс ротора в этот эффект пропорционален квадрату расстояния до оси вращения, поскольку чем больше радиус, тем больше, во-первых, линейное ускорение и, во-вторых, плечо центробежной силы. Однажды раскрученное устройство стремится сопротивляться изменениям в его ориентации вследствие углового момента. Этот эффект известен в физике как гироскопическая инерция. Влияние массы и ее распределения в роторе характеризуется его «моментом инерции», т.е. результатом суммирования произведений всех составляющих его масс на квадрат расстояния до оси вращения. Полный же гироскопический эффект вращающегося ротора определяется его «кинетическим моментом», т.е. произведением угловой скорости (в радианах в секунду) на момент инерции относительно оси собственного вращения ротора.





Кинетический момент – векторная величина, имеющая не только численное значение, но и направление. На рис. 1.1 кинетический момент представлен стрелкой (длина которой пропорциональна величине момента), направленной вдоль оси вращения в соответствии с «правилом буравчика»: туда, куда подается буравчик, если его поворачивать в направлении вращения ротора.

Прецессия и момент силы тоже характеризуются векторными величинами. Направление вектора угловой скорости прецессии и вектора момента силы связано правилом буравчика с соответствующим направлением вращения.

Основной количественной характеристикой ротора механического гироскопа является его вектор собственного кинетического момента Н, называемого также моментом количества движения или моментом импульса:

H = J.

В этом уравнении J – момент инерции ротора гироскопа относительно оси собственного вращения, – составляющая вектора абсолютной угловой скорости ротора, направленная по оси собственного вращения.

Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил называется прецессией гироскопа и описывается векторным уравнением:

H = M.

Здесь – вектор угловой скорости прецессии, H – вектор собственного кинетического момента гироскопа, M – ортогональная к H составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу.

Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси и определяемый уравнением M =H, называется гироскопическим моментом.

С гироскопическими явлениями приходится считаться и при конструировании машин, в состав которых входят быстро вращающиеся роторы. Так, в стабилизацию вертикального положения велосипеда основной вклад вносят гироскопические моменты колес, гироскопический эффект у винтовых самолетов и вертолетов оказывает существенное влияние на их угловое движение.

В конце XIX века было предложено использовать для разгона и поддержания вращения ротора гироскопа электрический мотор, тем самым обеспечив возможность получения больших значений кинетического момента гироскопа H и его постоянства в течение неограниченного промежутка времени [3].

Гироскоп может указывать угол поворота относительно основания, на котором он закреплен, а также угловую скорость. Из-за этих своих свойств гироскоп может применяться в автоэлектронике как датчик угла поворота или угловой скорости.

Гироскопы нашли применение при прокладке туннелей для метро и железнодорожного транспорта (наземные маркшейдерские гирокомпасы), при выяснении формы буровых скважин (инклинометры), а также в качестве компасов сухопутной артиллерии. Они используются при стабилизации стволов танковых орудий и в орудийных прицелах зенитной артиллерии. При первом практическом применении прицелов этого типа во время второй мировой войны зенитные пушки одного из военных кораблей сбили 32 самолета противника в течение одного боя [2].

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали ученых и инженеров многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания максимально точных чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи.

1.2 Область применения гироскопов Впервые уравновешенный гироскоп нашел практическое (к сожалению, негуманное) применение в устройстве для стабилизации курса торпеды, изобретенном в 80-х годах XIX столетия инженером Обри.

Гироскоп Обри устанавливался в кардановом подвесе так, чтобы его ось вращения была параллельна продольной оси торпеды. Ротор гироскопа приводился во вращение за несколько секунд до выстрела, когда ось торпеды была уже направлена на цель. При движении торпеды гироскоп продолжал сохранять исходное направление и при возникновении отклонений торпеды поворачивал ее рули таким образом, чтобы обеспечить неизменность курса. Аналогичные приборы в различных вариантах исполнения и под разными наименованиями в 20-х годах прошлого столетия стали использовать также на самолетах для указания курса (гироскопы направления, гирополукомпасы), а позднее для управления движением ракет [3].

В настоящее время выданы многие тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения. И даже их беглое перечисление представляет собой невыполнимую задачу.

Сейчас гироскопы все больше используются в гражданской продукции (мобильные телефоны, автомобили).

В настоящее время наибольшее распространение получили волоконные оптические и микромеханические гироскопы.

В автомобильных применениях гироскопы используются для измерения скорости вращения автомобиля теоретически относительно трех осей: вертикальной, поперечной или продольной, но наиболее обычными из них являются поперечная и продольная.

Ключевые автомобильные применения, для которых разрабатываются новые гироскопы, это:

1) обнаружение крена машины и боковых опрокидываний (Rollover).

2) навигационные системы.

3) контроль динамики автомобиля ESC, а также ABS.

Гироскопы могут применяться, например, и для корректировки высоты и стабильности подвески в зависимости от угловой скорости крена автомобиля.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 14 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.