Принципы работы исполнительных механизмов

Автомобильные исполнительные механизмы представляют собой,

главным образом, электромагнитные механизмы в виде электродви-

гателей, а также втягивающие и поворотные соленоиды (электро-

магниты). Исключением является пиротехническая система надува-

ния подушки безопасности. Соленоидные исполнительные механиз-

мы могут быть самостоятельными сервоэлементами или выполнять

управляющие функции, управляя работой силового устройства

(например, гидромеханического).

Электродинамические устройства (рис. 3.2) основаны на силе, дей-

ствующей на подвижный заряд или проводник с током в магнитном

поле (сила Лоренца). Катушка или постоянный магнит генерируют

постоянное магнитное поле. Электрическая энергия, предназначен-

ная для получения силы, прикладывается к подвижной обмотке рото-

ра (шаговый двигатель). Высокая точность исполнительного меха-

низма достигается особенностью конструкции обмотки ротора, имею-

щей малую массу и низкую индуктивность. Два аккумулирующих

элемента (один на закрепленном, другой на подвижном компоненте)

вырабатывают силы, действующие в двух направлениях через ревер-

сирование тока в обмотках якоря и возбуждения. Постоянный магнит

(феррит, SmCo и т. д.), создающий поле возбуждения, имеет характе-

ристики проницаемости поля, такие же как в вакууме (μ0).

Вторичное поле, создаваемое током якоря в разомкнутой магнит-

ной цепи, размагничивает данную цепь. Можно сказать, что сила

(момент) электродинамического исполнительного механизма при-

мерно пропорциональна току и не зависит от перемещения.

Электромагнитный принцип в соответствии с рис. 3.2 базируется

на взаимном притяжении мягких ферромагнетиков в магнитном по-

ле. Электромагнитные исполнительные механизмы оснащаются толь-

ко одной катушкой, создающей поле и потребляющей энергию,

идущую на преобразование.

71

Рис. 3.2. Электродинамический (а) и электромагнитный (б) преобразователи

Для повышения индуктивности катушка оснащена железным сер-

дечником (дозатор топлива). Однако, поскольку сила пропорциональ-

на квадрату магнитной индукции, устройство работает только в од-

ном направлении, поэтому требуется возвратный элемент (пружина

или магнит). Динамическая характеристика или отклик на включение

электромеханического привода описывается дифференциальным урав-

нением для электрических схем и уравнениями Максвелла, по кото-

рым определяется зависимость силы тока от перемещения.

Электрическая цепь, как правило, состоит из индуктора с актив-

ным сопротивлением. Одним из средств улучшения динамической

характеристики является перевозбуждение индуктора в момент ак-

тивизации, в то время как уменьшение тока может быть ускорено

стабилитроном. В любом случае улучшение характеристики дости-

гается за счет дополнительных расходов и потерь в электронных

средствах запуска исполнительного механизма. Диффузия поля яв-

ляется одним из сдерживающих факторов, на который трудно вли-

ять в приводах с высокими динамическими характеристиками. Опе-

рации быстрого переключения сопровождаются высокочастотной

пульсацией поля в магнитомягком материале магнитной цепи при-

вода. Эти колебания, в свою очередь, наводят вихревые токи

(нарастание и затухание магнитного поля). Результирующая за-

держка в нарастании и уменьшении сил может быть сокращена

только

выбором материала с низкой электрической проводимостью и про-

ницаемостью.

Выбор конструкции определяется условиями работы (например,

требованиями к динамической характеристике).

Электромагнитный исполнительный механизм поступательного

движения имеет соленоид с втягивающей силой, уменьшающейся

пропорционально квадрату перемещения якоря (рис. 3.3 и 3.4).

72

Рис. 3.3. Втягивающий соленоид:

1 – якорь; 2 – катушка; 3 – ярмо; s – ход; F – сила

Рис. 3.4. Характеристики втягивающего соленоида:

1 – плунжерный якорь; 2 – конический якорь; 3 – цилиндрический якорь

Форма кривой определяется типом рабочего зазора (например,

конического или цилиндрического якоря). Вращательные электро-

магнитные исполнительные механизмы характеризуются опреде-

ленным положением полюсов в статоре и роторе. Когда ток при-

кладывается к одной из катушек, то роторные и статорные полюсы

притягиваются и возникает крутящий момент. Вращательные при-

воды с простой обмоткой (рис. 3.5) содержат пару полюсов на каж-

дой из двух основных секций, а также катушку статора. Их макси-

мальное смещение составляет приблизительно 45°.

73

Рис. 3.5. Электромагнитный однообмоточный поворотный исполнительный механизм:

1 – обмотка; 2 – статор; 3 – ротор; φ – угол поворота; М – крутящий момент

Двигатель с большим пусковым моментом (рис. 3.6) является ре-

версивным электромагнитным вращательным исполнительным меха-

низмом, в котором задаются характеристики стационарной рабочей

точки при отсутствии противоположно направленных сил. Состояние

ротора поддерживается в стационарном положении посредством дей-

ствия поля постоянного магнита в статоре. Магнитное поле, генериру-

емое одной или двумя обмотками статора, создает крутящий момент и

обеспечивает одностороннюю компенсацию магнитного поля возбуж-

дения. Такая схема наиболее подходит для случаев, когда требуется

получить значительные силы при небольших углах поворота. Зависи-

мость между прикладываемой силой тока и моментом двигателя яв-

ляется приблизительно линейной. Принцип действия двигателя с боль-

шим пусковым моментом также используется для исполнительных

механизмов с поступательным направлением движения. Характери-

стики электромагнитных поворотных приводов показаны на рис. 3.7.

Рис. 3.6. Двигатель с большим пусковым моментом:

1 – магниты; 2 – ротор; 3 – управляющие обмотки

74

Рис. 3.7. Характеристики электромагнитных поворотных приводов:

1 – поворотный привод с одноходовой обмоткой;

2 – двигатель с большим пусковым моментом

Электродинамические исполнительные механизмы бывают раз-

личных типов. Короткоконтактный линейный двигатель (рис. 3.8)

представляет собой исполнительный механизм с практически круг-

лой дисковой катушкой.

Рис. 3.8. Электродинамический короткоконтактный линейный двигатель:

1 – катушка; 2 – постоянный магнит; 3 – ярмо

Различают исполнительные механизмы с одной или двумя ста-

торными обмотками (рис. 3.9). Оба типа содержат постоянный маг-

нит в роторе и одну или две статорные обмотки. Магнит ротора,

намагниченный на обоих концах, создает в рабочем зазоре магнит-

ный поток, взаимодействующий с током якоря и создающий крутя-

щий момент.

75

а

б

Рис. 3.9. Электродинамический поворотный исполнительный механизм:

а – однообмоточный механизм; б – двухобмоточный механизм: 1 – катушка 1;

2 – катушка 2; 3 – статор; 4 – постоянный магнит; 5 – вал

Диапазон перемещений составляет менее 45°. У однообмоточно-

го поворотного исполнительного механизма он определяется сило-

выми требованиями и угловым диапазоном, для которого требуется

необходимая плотность потока.

Двухобмоточный поворотный исполнительный механизм пред-

ставляет собой сочетание двух поворотных однообмоточных испол-

нительных механизмов со сдвигом обмоток на 90° по окружности

статора. Он предназначен для создания усилий, препятствующих

крутящему моменту. Стабильная рабочая точка достигается в нуле-

вой точке перехода на результирующей кривой крутящего момента

без дополнительных противоположно действующих сил.

Характеристики электродинамических поворотных исполнитель-

ных механизмов представлены на рис. 3.10.

Электромеханические исполнительные механизмы являются эле-

ментами непосредственного управления; они служат для превраще-

ния электрического сигнала в механическое перемещение или рабо-

ту без какого-либо промежуточного устройства преобразования.

Характеристика электромагнитных исполнительных механизмов

приведена на рис. 3.11.

Типичное применение – перемещение заслонок, катушек и кла-

панов. Описываемые приводы не обладают способностью к само-

возврату (не имеют устойчивой рабочей точки); они способны вы-

полнять только позиционные операции из постоянного исходного

положения (рабочая точка), в том случае, если приложена противо-

действующая сила (например, возвратная пружина).

76

а

б

Рис. 3.10. Характеристики электродинамических поворотных

исполнительных механизмов:

а – однообмоточный поворотный исполнительный механизм; б – двухобмоточный

исполнительный механизм; 1 – катушка 1; 2 – катушка 2; 3 – катушки 1 и 2

Рис. 3.11. Характеристики электромагнитных исполнительных механизмов

(рабочие точки (А) втягивающего электромагнита):

1, 2, 3 – кривые для различных токов; 4 – характеристика возвратной пружины;

А – рабочие точки

77

Гидромеханические и пневматические исполнительные механизмы

(гидро- и пневмоприводы), использующие принципы по преобразова-

нию и регулированию энергии, показаны в табл. 3.2. Структура гидро-

механического исполнительного механизма приведена на рис. 3.12.

Таблица 3.2

Характеристики гидромеханических и пневматических

исполнительных механизмов

78

Параметры Параметры Исполнительный механизм Гидравлический Пневматический Среда Жидкость для гидросистем (обычно масло) Поступает из бака, масло- отстойника. Практически несжимаемая. Самосмазка. Вязкость сильно зависит от температуры Газ (обычно воздух) Поступает из окружающего воздуха. Сжимаемый. Требует дополнительной смазки Флуктуации вязкости прене- брежимо малы Давление Приблизительно до 30 МПа Приблизительно до 1 МПа (приблизительно более 0,05 МПа для вакуумных приво- дов) Линия подсо- единения Напорная и сливная до- полнительная линия Только подвод давления. Возврат непосредственно в окружающую среду Виды применения Приводы с жесткими тре- бованиями по нагрузке, синх-ронизации и позици- онированию в закрытой (замкнутой) системе управления Приводы с ограниченными тре-бованиями по усилию, механическое позициониро- вание, работа в открытой системе управления

Рис. 3.12. Структура гидромеханического исполнительного механизма:

1 – информация; 2 – транзисторный выходной каскад; 3 – соленоид управления;

4 – гидроагрегат; 5 – потери; 6 – внешняя электроэнергия; 7 – внешняя гидроэнергия

Механизмы чаще всего строятся на принципах гидростатических

преобразователей энергии. Они выполняют перемещения, преобра-

зуя энергию давления жидкой среды в механическую работу и

наоборот (рис 3.13).

В противоположность им, гидродинамические преобразователи

работают по принципу преобразования энергии потока (кинетиче-

ской энергии движущейся жидкости) в механическую работу.

Потери во время работы являются следствием утечек и трения.

Жидкостно-тепловые потери вызываются гидродинамическим со-

противлением, при котором действие дросселя (шайбы, сужающей

поток) преобразует гидравлическую энергию в тепло. Часть тепла

рассеивается в окружающей среде, а некоторая его часть поглоща-

ется и уносится рабочей жидкостью.

Количество теплоты Q теплоты = Q 1 ⋅ Р 1 – Q 2 ⋅ Р 2 (для несжимае-

мых жидкостей Q теплоты = Q(Р 1 – Р 2))

Рис. 3.13. Гидромеханический исполнительный механизм

Турбулентность возникает там, где жидкость протекает через

участки ограничений для движения потока (например, через дрос-

сели). Тогда скорость потока среды не зависит в значительной мере

от вязкости. С другой стороны, вязкость не играет той роли, как при

ламинарном течении в узких трубках и отверстиях.

Гидромеханические усилители управляют процессом перехода

энергии из гидравлической в механическую. Регулирующий меха-

низм должен конструироваться для управления только относитель-

79

но малым потоком энергии, необходимым для окончательного по-

зиционирования клапанов.

С помощью переключающих клапанов (рис. 3.14) открывает-

ся/закрывается отверстие, управляющее потоком к/от гидромехани-

ческого преобразователя энергии. При достаточном открытии отвер-

стия дроссельные потери остаются незначительными. Для получения

возможности непрерывного управления гидромеханизмом с факти-

ческим отсутствием потерь может использоваться модулированная

продолжительность импульса открытия и закрытия. Однако в дей-

ствительности флуктуации давления и механический контакт между

компонентами клапана создают нежелательные шум и вибрацию.

Рис. 3.14. Регулирование энергии с помощью клапанов контроля давления