假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中,采用一根磁致伸縮棒,f為正常工作下的十幾 MPa時(shí),若該棒直徑為 20 mm,則預(yù)壓力就為幾 kN;而換能器中若有幾根磁致伸縮棒需要同時(shí)加力,這時(shí)所需力的大小就為上萬(wàn)甚至幾萬(wàn)N,所以廣泛采用可實(shí)現(xiàn)大剛度的碟簧來(lái)提供和保持f ,在以前的換能器設(shè)計(jì)中,對(duì)于碟形彈簧的專門設(shè)計(jì)、分析幾乎為空白;大多數(shù)工作投入到機(jī)電耦合、非線性動(dòng)力學(xué)研究或致動(dòng)器輸出補(bǔ)償控制等方面,對(duì)于碟形彈簧的選擇也沒(méi)有具體的理論原則作為依據(jù)。
從滿足f 角度出發(fā),應(yīng)選擇大彈簧剛度K的彈簧(如果彈簧 K 值較小,雖能滿足壓力要求,但往往體積過(guò)大不利于實(shí)際應(yīng)用)。因此,幾乎全部的換能系統(tǒng)中都采用了碟形彈簧,以充分利用碟簧可以小應(yīng)變獲大壓力的優(yōu)點(diǎn).頂桿和 Terfenol棒是串聯(lián)的,執(zhí)行器結(jié)構(gòu)組成和碟簧簡(jiǎn)圖分別如圖1、2所示。
其中, D, d , h ,s分別為碟簧外、內(nèi)徑,內(nèi)高和厚度。因?yàn)轫敆U近似為剛體,忽略其彈性變形,所以頂桿與稀土棒頂端具有相同縱向位移,而頂桿與彈簧并聯(lián),所以彈簧與 Terfeno l棒頂端的縱向位移也相同。一般情況下,磁致伸縮力僅為預(yù)壓力的幾分之一,所以在磁致伸縮階段兩者的縱向位移與施加f 階段相比會(huì)小些。如果不考慮磁滯影響,在靜態(tài)磁致伸縮條件下,對(duì)于給定棒產(chǎn)生的磁致伸縮力Fm在一定的 H、f 下是恒定的,一般在幾百 N的數(shù)量級(jí), Fm 作用于彈簧上并使其產(chǎn)生縱向形變 x ,設(shè)此階段彈簧剛度為 K ,磁致伸縮材料楊氏模量為 E ( T ) ,磁致伸縮棒原長(zhǎng)為 L ,則
先前的設(shè)計(jì)者都沒(méi)有考慮到施加f 階段與磁致伸縮階段對(duì)彈簧K要求的這一矛盾,因此,彈簧K都很大,雖然滿足f 的要求,且默認(rèn)后者的影響可以忽略不計(jì),但實(shí)際上不用復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu),完全可以在彈簧的設(shè)計(jì)和制作上解決該矛盾,即引入軟性碟形彈簧——使其大剛度應(yīng)用于預(yù)壓應(yīng)力階段,較小的彈簧剛度應(yīng)用于磁致伸縮階段。
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