МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР

Решение относится к измерительной технике.

Известен аналогичный микромеханический демпфер [1], содержащий демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом.

Недостатком известного устройства является невозможность установления механических параметров связи для получения оптимального коэффициентов демпфирования, поскольку заранее не известны перемещения демпфируемого и демпфируемого узлов.

В качестве прототипа выбран микромеханический демпфер, описанный в работе [2]. Роль демпфера в чувствительном элементе интегрального датчика ускорений выполняет сосредоточенный груз, соединенный с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом. Вынужденные колебания, сообщаемые демпфируемому узлу внешним воздействием, через подвесы передаются демпфирующему узлу. На осуществление колебательного процесса демпфирующего узла расходуется энергия, сообщаемая ему демпфируемым узлом. Таким образом, от демпфируемого узла отбирается часть энергии и его колебательный процесс затухает.

Недостатком известного устройства является невозможность подгонки параметров демпфирующего узла для получения оптимального режима, поскольку на степень затухания влияют параметры как демпфируемого, так и демпфирующего узлов. Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.

Решаемая задача - совершенствование микромеханического демпфера.

Технический результат - получение оптимального режима работы микромеханического демпфера.

Этот технический результат достигается тем, что в микромеханический демпфере, содержащем демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом, с целью получения оптимального демпфирования выполняют следующее соотношение между параметрами:

,

К_д1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла (демпфируемого); К_д2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла внешнего узла (демпфирующего; m₁ - масса внешнего узла; m₂ - масса внутреннего узла; G₁ - жесткость подвеса внешнего узла; G₂ - жесткость подвеса внутреннего узла; χ - коэффициент механической связи между внешним и внутренним узлами.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема демпфированной микромеханической системы и показано взаимодействие сил: инерции F_ин, упругости F_упр и демпфирования F_дем. Посредством анизотропного травления выполнены: подвижная рамка 1, соединенная с корпусной пластиной упругими растяжками 2. В свою очередь внутри рамки выполнен подвижный узел в виде плоской пластины 3, соединенный с рамкой упругими растяжками 4. Рамка 1, например, может служить чувствительным элементом осевого акселерометра, а подвижный узел 3 предназначается для обеспечения оптимального демпфирования рамки. Система имеет две степени свободы: y₁ - линейное перемещение рамки 1 относительно корпуса 5; y₂ - линейное перемещение подвижного узла 3 относительно рамки 1.

Существо заявляемого устройства не является очевидностью. Для его доказательства, во-первых, необходимо показать, что система, состоящая из двух взаимосвязанных подвижных узлов, представляет собой колебательную систему второго порядка с параметрами, зависящими от характеристик внешнего и внутреннего подвижных узлов. Тем не менее, точное описание заявляемой системы в динамическом плане описывается передаточной функцией четвертого порядка:

где введены следующие обозначения:

Если в качестве рабочего подвижного узла используется внутренняя рамка, то в передаточной функции (1) коэффициенты знаменателя остаются без изменений. Коэффициенты же числителя будут иными, а именно:

В (2) независимыми параметрами являются шесть величин: m₁, G₁, K_д1, m₂, G₂ и K_д2, причем первые три из них, относящиеся к демпфируемому узлу (внешнему), задаются из конструктивных соображений, а три остальные требуют определения в соответствии с условием достижения оптимальных демпфирующих свойств. В общем случае определение неизвестных величин эффективнее всего осуществлять с использованием ЭВМ по АЧХ, соответствующей передаточной функции четвертого порядка (1) при заданном показателе колебательности.

Воспользуемся понятием коэффициента связи, представляющим собой отношение сил упругости подвесов демпфируемого и демпфирующего узлов:

Для статического состояния зависимость коэффициента связи от конструктивных параметров можно получить в виде:

Используя (4) относительные коэффициенты демпфирования внешнего и внутреннего подвижных узлов, можно найти:

,

где G₀₁=G₁(1-1/χ)+G₂; G₀₂=G₂(1-χG₂/G₁); К_д1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла; К_д2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла.

Для обеспечения равенства относительных коэффициентов демпфирования внешней и внутренней рамок, в том числе и при оптимальном режиме , необходимо конструктивно выполнить следующее условие:

Формула (6) показывает преимущества двухмассового ЧЭ перед одномассовым с точки зрения их демпфирующих качеств, поскольку на значения абсолютных коэффициентов можно влиять варьированием величин масс и жесткостей, а также применением гистерезисных поглотителей энергии во внутренних подвесах или комбинацией того и другого.

Допуская характер гашения колебаний ЧЭ гистерезисным, при котором абсолютный коэффициент обратно пропорционален действующей частоте, т.е. K_г=Gη/(ω_c+ω), можно утверждать, что снижение частоты синхронизма способствует повышению демпфирующих свойств. Из (6) видим, что на величину частоты можно в широких пределах влиять варьированием коэффициента связи и соответственно получать любое требуемое демпфирование.

Условие синхронизма ω₁=ω₂=ω при гармонических колебаниях подвижных узлов , можно получить в виде соотношения между конструктивными параметрами с учетом (6) при отсутствии демпфирования K_д1=K_д2=0

Из (7) видим, что на величину частоты можно в широких пределах влиять варьированием коэффициента связи и соответственно получать любое требуемое демпфирование. Таким образом, можно утверждать, что снижение частоты синхронизма способствует повышению демпфирующих свойств.

Источники информации

1. Северов Л.А. и др. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития. Известия ВУЗОВ. Приборостроение. 1998. Т. 41. №1-2, стр. 57…73.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.