静电悬浮转子微陀螺及其关键技术

静电悬浮转子微陀螺具有比振动式微陀螺精度高的潜在优点，并可同时测量二轴角速度和三轴线加速度。介绍了静电悬浮转子微陀螺的研究现状。对该静电悬浮转子微F1螺／加速度计的工作原理、特点进行了分析，并对实现高精度静电悬浮转子微陀螺／加速度计晌关键技术如静电稳定悬浮、微位移检测控制、静电恒速旋转驱动、微机械加工和真空封装技术等进行了探讨。指出这一新颖MEMS陀螺是高精度多轴集成微惯性传感器技术发展的一个重要方向，具有广阔的应用前号和较大的发展潜力。     

超高速微转子系统磨损特性的研究

针对高速旋转微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,提出了1种描述其磨损过程的线性滑动磨损模型,建立了半球形轴衬-极板接触有限元模型,分析微转子轴衬的磨损特性和轴衬-极板接触副的接触动力学特性,研究接触副几何结构参数和操作参数对微转子系统磨损特性的影响.结果表明:在MEMS微转子系统中,微转子轴衬偏心距离和转子轴衬半径影响线磨损率,以两者减至最小为较理想,但须注意设计中轴承半径的限制,并使轴衬偏心距离大于轴承内半径;在转子加工制造许可的范围内,可以通过调整转子轴衬的半径和偏心距离来减少摩擦磨损对微电机的影响,随着转子所承受载荷和转子旋转速度的增加,其磨损严重;接触区的应力分布不同于经典Hertz解,这是由于应力集中出现在不连续的曲率线上,且接触区的接触压力呈现轴对称抛物线状分布.该模型可用于预测微转子轴衬的磨损与接触状况,分析微转子系统的磨损特性.     

硅微静电加速度计的支承刚度特性

静电加速度计通过降低带宽和量程在空间微重力环境下可以实现极高的分辨率。设计了一种采用玻璃-硅-玻璃"三明治"结构、平行六面体状检验质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,推导并讨论了静电支承回路的典型刚度特性与控制参数之间的关系式。采用基于DSP的数字控制器,实现了敏感质量的六自由度稳定支承,在大气环境下测试了静电支承回路的主要性能。分析与测试结果表明,在支承系统频带内,支承刚度特性与控制器参数及气膜阻尼系数密切相关;同时,改变预载电压可以在较大范围内在线调整加速度计的量程和支承刚度等指标。     

参数激励下静电驱动微机电系统动力特性研究

充分考虑压膜阻尼效应的影响,提出参数激励下时变电容式静电驱动微机电系统的动力学模型,采用谐波平衡法分析在参数激励和强迫激励耦合作用下系统的幅频响应特性,探讨不同控制电压和频率比对系统幅频响应的影响,分别以交流电压幅值、频率比和压膜阻尼比为控制参数研究系统的非线性动力特性,结果表明,微尺度下静电驱动微机电系统在参数激励作用下存在较为丰富的分岔与混沌行为,压膜阻尼效应对系统动力特性的影响不可忽视.      

静电驱动下微观曲梁的非线性动力学特性研究

研究微机电系统中微结构的动力学特性,对确保微机电系统的稳定运行具有重要的意义。以直流、交流电压作用下的微观曲梁为研究对象,采用Euler-Bernoulli梁模型、Galerkin数值离散方法,在考虑主共振的情况下使用多尺度法研究了两端固支微梁的非线性动力学特性和可能出现的跳跃、吸合现象。结果表明:直流、交流电压越大,阻尼值越小,系统表现出更强的非线性特性;系统对交流电荷载作用下的振动响应相对于直流电荷载更加敏感;随着曲梁拱形高度的增加,系统会依次出现软化和硬化两种不同的行为;系统在分岔点附近可能出现跳跃现象。研究结果可为合理选取物理参数和控制系统振动行为提供参考。     

微机电系统磨损特性研究进展

对微机电系统,尤其是微旋转机械的磨损研究现状进行评述,介绍MEMS及微旋转机械中的各种磨损问题,分析材料和不同工况(表面粗糙度、环境以及载荷)等条件对MEMS及微旋转机械磨损性能的影响,介绍不同形式的磨损模型、分析方法与检测仪器,并对相关领域的研究进展进行展望.     

一种解耦的微机械陀螺研究

设计了一种解耦的微机械陀螺，它能够极大地降低正交误差信号的影响，从而大大地提高佗螺的性能；制造了一批样机，进行了初步的驱动特性和敏感特性的实验研究。研制结果表明，陀螺性能符合设计要求。     

双输入轴微机械陀螺仪的研究与进展

微机械陀螺仪是微机电系统（MEMS）研究的重要内容。双输入轴微机械陀螺仪可最大限度地发挥微结构的固有功能并实现最低成本。本综合了国内外在这方面的主要研究报道，概述各自的结构、工艺、测试和性能特点，以展示双输入轴微机械陀螺仪的发展历史与研究现状。     

参数激励下静电驱动MEMS共振传感器的非线性动力特性研究

静电驱动微机电系统(MEMS)共振传感器因其结构简单、应用广泛等优点引起了研究人员广泛的关注,共振传感器件耦合系统在非线性静电力、压膜阻尼、参数激励下呈现出较复杂的非线性振动、不稳定性、分岔与混沌行为.提出参数激励作用下静电驱动微机电系统中梁式微结构共振传感器的动力学模型,采用多尺度方法对微系统的动力学方程进行摄动分析,探讨直流偏置电压、压膜阻尼和交流激励电压幅值对系统频率响应、共振频率的影响规律,结果表明:直流偏置电压和交流电压幅值都具有软化效应,且使共振频率漂移到较小的数值范围,压膜阻尼对共振频率的影响较小,但是增大压膜阻尼会使稳态振幅的峰值明显下降,为静电驱动微机电系统共振传感器的动力学分析与设计提供参考.     

微机电系统的微观摩擦学研究进展

对微机电系统的微观摩擦学研究现状进行了综述,介绍了在微机电系统中摩擦学呈现的各种新特征,以及材料、环境和不同工况条件对微机电系统运行稳定性的影响,从微观摩擦学角度探讨了微机电系统的润滑问题,介绍了表面改性和薄膜润滑等在解决微机电系统润滑问题方面的研究现状,并对相关领域的工作进展进行了总结和展望。     

MEMS动平板的切向静电阻力

由于微机械的表面积与体积之比远大于宏机械,所以微机械中的表面阻力难以忽略,为了改善MEMS器件的性能和可靠性,必须对其影响进行研究.基于能量守衡法,本文建立了光滑平板和正方形、四棱锥两种微凸体粗糙表面平板的切向静电阻力模型,讨论了微小尺度、表面形貌、外加电压以及因流片制造工艺而产生的微凸体、凹坑或孔对两个相对运动的带电平板间的切向静电阻力的影响.分析表明：当平板宽度与两平板之间的距离之比、表面形貌因数和外加电压增大时,切向静电阻力也将随之增加;表面形貌因数则与微凸体在平板的总投影面积与平板面积之比成正比,随相对表面粗糙度增加而非线性增加.     

Dynamics of a Canonical Electrostatic MEMS/NEMS System

The mass-spring model of electrostatically actuated microelectromechanical systems (MEMS) or nanoelectromechanical systems (NEMS) is pervasive in the MEMS and NEMS literature. Nonetheless a rigorous analysis of this model does not exist. Here periodic solutions of the canonical mass-spring model in the viscosity dominated time harmonic regime are studied. Ranges of the dimensionless average applied voltage and dimensionless frequency of voltage variation are delineated such that periodic solutions exist. Parameter ranges where such solutions fail to exist are identified; this provides a dynamic analog to the static “pull-in” instability well known to MEMS/NEMS researchers.      

RV减速器主支撑角接触球轴承混合润滑分析

针对RV减速器角接触球轴承承受预紧力、轴向力和径向力等联合外载荷作用的工况,分析得出了内、外圈滚道接触界面的接触区几何参数和接触载荷.在此基础上,综合考虑了角接触球轴承的接触区宏观几何、接触载荷、真实表面粗糙度、瞬态效应等因素,建立了角接触球轴承混合润滑数学模型,分析了在不同工况下角接触轴承的润滑状况及表面以下应力分布.结果表明:随着载荷的不断增加,钢球与内圈沟道之间的油膜厚度会不断减少,导致干接触面积迅速扩大,接触点表面以下最大应力增大;转速的增加会使油膜变厚,干接触面积缩小.该结果对角接触球轴承的实际工程应用具有重要借鉴意义.     

Dynamics Analysis of Ground Contact Pressure of English Pointer Dogs

In this study force sensing resistors were used to determine thepressure on the central area of each of the weight bearing pads of thefore and hind paws of dogs at the walk. Six adult normal healthy EnglishPointer dogs were used in this project. Pressure data were collected byaffixing a force sensing resistor to the central area of the groundcontact surface of each weight bearing paw pad of the right fore andhind limbs. Pressure signal data from stance phase during walking wereanalyzed. Within paw pads, the pressure graphs were consistent in formand magnitude. Within paws, there were significant pressure differencesamong pads on both fore and hind limbs. The coefficient of restitution,the embedding dimension, and the Lyapunov exponents were calculated. Theability to measure and analyze pressure on individual paw pads providesinsight into soft tissue stresses on the palmar/plantar surface of thepaw. Pressure at a wound site on the pads has a detrimental effect onwound healing and a better understanding these stresses will be ofbenefit when suturing and bandaging pad wounds. Such information isespecially important in athletic and working dogs, e.g. search andrescue dogs.     

两种不同形状压头与单晶铜基体间接触力和摩擦力的纳观分析

在考虑单晶铜基体弹塑性形变和晶体各向异性情况下,基于原子尺度,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法动态模拟了半球形和圆锥形两种不同形状压头与单晶铜基体的黏着接触和滑动摩擦过程,分析了接触力和摩擦力对单晶铜基体内失效原子变化情况.研究表明:当压头下压位移为0.9 nm时,由于半球形压头比圆锥形压头底部表面积大,导致半球形压头与基体之间的引力更大而更易产生黏着接触现象.在下压接触过程中,与半球形压头相接触的基体内出现位错原子长大成位错环,而与圆锥形压头相接触的基体未出现此位错环现象,但位错原子数均随压深的增加而增多;在滑动过程中,因半球形压头对基体的摩擦力和法向力比圆锥形压头对基体的摩擦力和法向力大,使得半球形压头比圆锥形压头正前方堆积的位错原子数多,但均随滑动距离的增加而增多.     

静电陀螺监测器中静电陀螺仪的漂移误差模型

本推导了静电陀螺仪转子动量矩的运动方程,根据此方程并应用向量场理论,将造成静电陀螺漂移的外部干扰力矩划分为守恒力矩和非守恒力矩两部分。按照进动规律,最终得到静电陀螺监控器中陀螺仪漂移误差模型的全量形式。     

滑动轴承二维动态摩擦接触的分析研究

应用边界单元法研究了滑动轴承动态摩擦时的接触力学性质,揭示了接触压力分布的不对称性;讨论了载荷,摩擦系数等因素对不对称性的影响,认为摩擦系数可使峰值接触压力降低和接触面积增加,增大载荷会使接触压力分布的不对称性更为明显,接触压力分布的不对称意味着磨损分布的不对称。同时分析了实际工作中滑动轴承摩擦副间的当量摩擦系数,指出在滑动试验研究中应采了当量摩擦系数。     

Drop Dynamics of a High-Speed Unbalanced Rotor in Active Magnetic Bearing Machinery*

The transient nonlinear dynamics of a high-speed unbalanced rigid rotor dropping onto rigid sliding bearings is investigated. The equations of motion are formulated and solved numerically to examine dynamics of the rotor for different regimes of the touchdown process. The contribution of parameters such as unbalance, air gap, coefficient of friction, and coefficient of restitution to drop dynamics of the rotor are examined. When the unbalance is small, the resulting motion is also small. As the level of unbalance increases, the motion of the rotor becomes larger, so there is potential for damage to the rotor and the backup bearings. The orbits of the rotor in the backup bearings after the rotor drops, velocities, and power loss during sliding-whirling stages are presented for various initial conditions and system parameters. Finally, based on simulation results, some design guidelines and suggestions are given.     

双列圆锥滚子轴承滚子大端-引导边润滑接触分析

针对铁路客车中使用的双列圆锥滚子轴承,发展了一个系统的计算模型以模拟滚子大端与引导边间的润滑接触状态.首先通过理论分析确定滚子大端与内圈挡边的接触点位置和滚动体的自转与公转转速,分别得出二者在接触点的滑动速度;然后考虑滚子的离心力,通过求解内圈位移控制方程,计算轴承的载荷分布,并分别求出滚子与外滚道、内滚道以及引导边的作用力;最后建立润滑分析模型,对圆锥滚子大端与引导边的接触进行润滑分析计算,实现滚子大端与引导边接触的润滑模拟,并研究了滚子大端球面半径、工况条件等对润滑性能的影响.     

表面织构对界面接触参数影响的实验研究

机械接触表面的接触刚度和接触阻尼是直接影响界面振动水平的两个重要动力学参数。本文介绍了一种测试机械连接界面接触刚度和接触阻尼的实验装置和方法,并针对用两种不同加工方法(激光加工及线切割)加工出的具有不同尺寸织构的试样与光滑平面相接触的界面进行了测量,初步探索了平面接触刚度和接触阻尼的表面织构效应,并得出结论：织构及润滑对接触刚度会产生一定影响,而实验中均未观察到这两者对接触阻尼有明显影响。