血管造影機(jī)C-臂設(shè)計(jì)【醫(yī)療器材】

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Singh 美國(guó)俄亥俄州州立大學(xué)機(jī)械工程和汽車研究中心聲學(xué)與動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，哥倫布西18街206號(hào)，OH 43210-1107。 1997年7月16日收稿，1999年1月17日修改，1999年1月24日發(fā)表。 [摘要] 汽車離合器的扭轉(zhuǎn)力動(dòng)力特性由5個(gè)線性或非線性模型集中模擬。每一個(gè)非線性模型，包括粘彈性及干摩擦因素。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度和耗能譜清楚地表明巨大激發(fā)能量和頻率相互依賴。動(dòng)態(tài)滯后曲線也被用來(lái)預(yù)言和分析。擬定與有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好匹配的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。最后，這些模型的效果經(jīng)傳動(dòng)裝置的仿真程序得以鮮活顯現(xiàn)。 關(guān)鍵詞： 汽車傳動(dòng)系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)滯后 非線性模型 4. 舉 例 說(shuō) 明（模型D） 4.1 來(lái)自黏性和彈性的元素： 當(dāng)， 傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩是： 因此動(dòng)摩擦系數(shù)是： 并且靜摩擦系數(shù)，損耗系數(shù)，損失因子η和能量振動(dòng)周期如下： 大部分的其他模型都能夠從模型D推論出來(lái)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)模型D中C→∞就會(huì)得到模型A；同樣模型D中→0就會(huì)得到模型B；模型E是由兩個(gè)并行模型B構(gòu)成。 4.2． 來(lái) 自 阻 力 摩 擦： 阻力摩擦對(duì)能量的消耗是與接觸面大小成比例的。因此能量消耗是等于T乘以在所有周期內(nèi)的積分： 是由、、的值所決定的。自從我們假設(shè)一個(gè)替代阻力摩擦的系數(shù)，它的損失原因和能量消耗不與有關(guān)。因此，阻力摩擦在不同黏性和彈性模型中的實(shí)驗(yàn)表明能量消耗提高將是添加劑和接觸表面粗糙度決定的。 雖然現(xiàn)在靜摩擦已經(jīng)被關(guān)注，但確定在來(lái)回移動(dòng)情況下的阻力摩擦系數(shù)是如何對(duì)影響和對(duì)的影響是多少依然不是一件簡(jiǎn)單的任務(wù)。靜摩擦很明顯是與時(shí)間有關(guān)的，它是： 并且當(dāng)它趨于0時(shí)為　 當(dāng)(圖6)。另一方面，與之間是相互聯(lián)系的，當(dāng)值越大，值就越小。在平面圖上所標(biāo)出的范圍與系數(shù)推動(dòng)是相符的。值得注意的是，從最簡(jiǎn)單的摩擦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌梢缘贸鲞@樣的結(jié)論：被傳遞的力矩從負(fù)值(-)很快得躍變到正值()，反之亦然。這相當(dāng)于在極小的瞬間一個(gè)極限系數(shù)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N理想狀態(tài)。在這項(xiàng)研究中摩擦元素對(duì)靜摩擦系數(shù)的影響被忽略。 5．線性模型的結(jié)論： 5.1 典 型 的 光 譜 從圖7至圖10表明被選擇作為模型的、、中包含著典型的光譜。其中很有可能和三個(gè)模型中的能量釋放情況是相符合的。在沃伊特模型(A)中，在頻率范圍內(nèi)單調(diào)遞增。在模型B、模型C中能量釋放的頻譜在圖中只有一次峰值，但是在模型D和模型E(雙麥克斯韋模型)中我們得到了兩個(gè)峰值，并且在兩個(gè)峰值之間存在一個(gè)峰谷。一些實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明減少到一個(gè)確定值之后，那時(shí)它將增加。因此在記錄模型D和模型E可能會(huì)出現(xiàn)一些這樣有趣的現(xiàn)象，阻力摩擦的光譜分析也表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。在沃伊特模型（A）中的是常數(shù)，模型B、模型C、模型D中的是快速單調(diào)增加的，然后逐漸趨近于水平漸近線。在雙麥克斯韋模型（E）中，也是單調(diào)增加的，但是當(dāng)處于兩個(gè)峰值之間時(shí)增加的速率是比較緩慢的，記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著的增加，有微弱的減少。 基于模型的合理性與可靠性，在對(duì)默認(rèn)參數(shù)值的選擇是為了得到以斜坡理論為根據(jù)的典型的實(shí)驗(yàn)磁滯現(xiàn)象環(huán)和磁滯現(xiàn)象環(huán)寬度。為了估算離合器慣性，我們可以通過(guò)計(jì)算一組數(shù)值，例如假設(shè)磁盤的半徑r=100mm,質(zhì)量M=1Kg,從而推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。我們?cè)趯?duì)能耗中的參數(shù)和靜摩擦系數(shù)所受到的影響作了研究，并且研究了磁帶是怎樣被影響的。例如在檢測(cè)模型D時(shí)，首先考慮到能量釋放的光譜是由峰值和峰谷組合而成（圖9）。如果取一個(gè)較小的系數(shù)，峰值就會(huì)有顯著的升高，并且不斷地向更高的頻率移動(dòng)。因此取一個(gè)大的的值就會(huì)使峰值變小，這對(duì)于峰谷同樣適用。與之相反的是，控制著線性曲線增加的速率。在對(duì)取一個(gè)很小的值之后，峰值是很明顯的，但對(duì)線性曲線的影響很小。線性曲線斜坡的增加是由引起的，這導(dǎo)致了峰谷的出現(xiàn)。當(dāng)變的太大，線性曲線會(huì)出現(xiàn)明顯升高，直到最后峰值消失。控制著振幅的峰值，的值越高，則會(huì)引起高峰值的振幅，從而導(dǎo)致峰谷走向更高的頻率。如果取一個(gè)大的慣性系數(shù)，峰值將會(huì)變得更明顯，而且峰谷也會(huì)被觀察到，這同模型B(圖8)中所觀察到的一致。峰值和峰谷都存在。當(dāng)計(jì)算損失系數(shù)時(shí)，在第一階段計(jì)算中采用了絕對(duì)值和通用數(shù)據(jù)。即在固有頻率下，由于耗能是零就造成了一個(gè)峰谷。 接下來(lái)要考慮的應(yīng)該是靜摩擦系數(shù)，這個(gè)曲線是一個(gè)和模型B的靜摩擦系數(shù)相似的組合，并且是線性增加的。在這里控制著峰值，如果給一個(gè)較小的值，首先緩慢的增加，但是增加到一定程度后便會(huì)下降；如果給一個(gè)較大的值，會(huì)迅速的增加，在增加到一定程度后會(huì)變的幾乎成為一條直線，最后逐漸的減少。會(huì)一直控制著曲線的坡度的增加，直到其達(dá)到峰值。如果取較高的值則符合高的坡度。但卻是在控制著峰值的范圍，峰值會(huì)隨著的增加而增大。給轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一個(gè)較大的值，曲線會(huì)在達(dá)到峰值后銳減。當(dāng)曲線有一個(gè)峰值，并且是線性的，如果取較小的值，仍然保持增加。這是因?yàn)樵谡麄€(gè)周期內(nèi)線性曲線在減少區(qū)域的坡度比增加區(qū)域的坡度陡。與取一個(gè)較大的值的情況相比，我們發(fā)現(xiàn)了相反的情況，而且在減小。最后考慮滯留現(xiàn)象,對(duì)于一個(gè)較小的系數(shù)，滯留區(qū)域的變化與能量消耗趨勢(shì)相同，它的最大的頻率約為30Hz。曲線中斜坡隨著靜摩擦系數(shù)的變化而改變，它增加的不但迅速而且還伴隨著高頻率。如果取一個(gè)較大的，曲線坡度增加緩慢的并且其他區(qū)域也是如此。如果給系數(shù)一個(gè)較大的值，會(huì)使得斜坡遲滯增幅遠(yuǎn)比在取得一個(gè)比較小的的情況下的斜坡遲滯增幅的變化要快。同樣，較大的系數(shù)也會(huì)使得其他區(qū)域增幅明顯增高。記錄顯示控制著坡度的遲滯，并且一個(gè)大的顯示高的坡度。在低頻率下，的值如果增大將會(huì)導(dǎo)致更多的耗能。 5.2 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 由于過(guò)度加熱和潤(rùn)滑問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是限制在100Hz以內(nèi)的頻率范圍。兩種模型似乎描述了這樣的實(shí)驗(yàn)：變換之后的沃伊特模型（D）和雙麥克斯韋模型（E）。的確，從參數(shù)研究可以觀察到在模型A中隨著的增加，耗能峰值對(duì)應(yīng)低的頻率。因此，如果我們?yōu)辂溈怂鬼f模型的一個(gè)分支選擇了一低的系數(shù)C，并且為麥克斯韋模型的另一個(gè)分支選擇一個(gè)高的系數(shù)C，那么我們得到兩個(gè)截然不同的峰值（圖10）。在高頻率下，變換之后的沃伊特模型(D)和雙麥克斯韋模型(E)的耗能曲線是不同的。首先，雙麥克斯韋模型曲線保持上升，而后減少到零。在模型E和模型D中，當(dāng)頻率高于20Hz時(shí)，的曲線便緩慢上升。這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。然而當(dāng)品率低于20Hz時(shí)，麥克斯韋模型曲線降至到零。并且模型D中下降至 當(dāng)＝時(shí)，的值只有其最大值的一半。這種趨勢(shì)仍需要在現(xiàn)實(shí)生活實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證。 5.3 彈 性 模 型 的 比 較 因?yàn)槲忠撂啬Ｐ?A)最為簡(jiǎn)單，所以它具有一些優(yōu)勢(shì)。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，像其他模型一樣，曲線不在低頻率范圍內(nèi)下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明曲線減小很慢，因此，我們發(fā)現(xiàn)在其它模型中除麥克斯韋模型外一個(gè)連續(xù)的系數(shù)比增加系數(shù)的值要好。這種模型相對(duì)與其他模型優(yōu)勢(shì)是在與參數(shù)特征和性能之間有一種簡(jiǎn)單聯(lián)系。因此，由于能量消耗而獲得的曲線坡度和固定的靜摩擦值是相當(dāng)容易的。它的劣勢(shì)是我們不能在一個(gè)已知頻率內(nèi)得到一個(gè)最小的能量消耗，并且我們不能在整個(gè)頻率范圍內(nèi)得到一個(gè)慢的減小系數(shù)。 假設(shè)模型B中的慣性系數(shù)在影響動(dòng)態(tài)系中扮演著一個(gè)重要角色，并且將一個(gè)自然頻率在50Hz以下設(shè)置為30Hz。如果這個(gè)假設(shè)是真實(shí)的，因?yàn)殡x合器彈簧阻力器的質(zhì)量為2.5千克，半徑為180毫米，這樣在自然頻率為30Hz的情況下，我們將會(huì)獲得一個(gè)慣性系數(shù)（J）為0.04 。從動(dòng)態(tài)方程中可以觀察到，如果我們對(duì)耗能系數(shù)的值取絕對(duì)值，并且將其用于第一階段的計(jì)算，這樣在自然系統(tǒng)頻率下就會(huì)達(dá)到零。這也解釋了能量消耗的線性曲線的形狀（圖8）。無(wú)論是衡量或是模擬的曲線之所以不降至零，是因?yàn)榇嬖谌Q于阻力摩擦的系數(shù)的值這個(gè)特別的情況。摩擦阻力的系數(shù)的值大約為,這樣要求一個(gè)耗能每單位振幅。出于同樣的原因，在頻率達(dá)到30Hz后開始下降，這種模型的優(yōu)勢(shì)是在頻率范圍是50到100Hz之內(nèi)，我們能夠得到一個(gè)增長(zhǎng)的和一個(gè)減小的曲線。模型D和模型E是更加的復(fù)雜，并且在每個(gè)系統(tǒng)中都扮演著重要角色。這些模型最重要的優(yōu)勢(shì)是能夠在沒(méi)有假設(shè)一個(gè)低自然頻率下獲得一個(gè)最小的能量消耗。能量消耗曲線和在圖（10）中所給出的測(cè)量結(jié)果是非常相似的。然而，這些模型最主要的劣勢(shì)是靜摩擦系數(shù)隨著增長(zhǎng)，特別是在模型E中。 經(jīng)過(guò)討論，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)和材料上有許多變化，所以我們不能定義一個(gè)最佳模式，這是顯而易見的。相反，在某些參數(shù)中一些動(dòng)態(tài)模型是比其它模擬某些動(dòng)態(tài)現(xiàn)象或趨勢(shì)與變化的模型更能充分反映實(shí)際情況。 共 10 頁(yè) 第 10 頁(yè)