基于MEMS的钟表惯性延时机构仿真分析

　　微机电安全系统是引信微型化发展的关键,是将微机械、微传感器、微电子信息处理器、微机械编码处理器、微电子逻辑控制器等核心部分集成于一体,它具有尺寸小、质量轻、零件材料单一等特点[1-2].作为引信安全系统中保险机构的核心部件,微小惯性延时机构是引信保险机构中的重要组成部分,它直接决定着引信的可靠动作与安全性能.关于微惯性延时机构的延时目前已有相关的报道,主要是研究脉冲冲击过程中惯性滑块的特性及考虑一个自由度的落下运动特性[3-6],对具有钟表延时机构的特性分析较少.

　　本文针对微小惯性钟表延时机构建立虚拟模型和运动学及动力学仿真模型,通过发射过程的外部激励进行微小惯性延时机构动态特性分析,分析了相关影响因素对机构运动特性的影响,给出钟摆延时保险机构运动的控制时间、轮摆装配、齿型设计等影响因素,为该类机构的设计提供了必要的参考依据.

　　1　机构原理与力学模型

　　1. 1　机构原理

　　根据MEMS的加工工艺特点,MEMS引信保险机构通常是平板结构,机构的运动基本在同一平面内,运动零件的相互配合通过平面上相互约束来实现.MEMS安全系统将传统引信安全系统空间结构的功能转化到平面上,其零件形状可以相对复杂.

　　对于微小系统的动力学分析,主要研究微系统在各种力作用下运动状态的定性和定量的变化规律,通常动力学特性是与其特征长度相关的,通过不同理论体系描述不同量级长度特征.这里给出的钟表惯性延时机构,其特征长度均大于1μm,采用经典牛顿力学理论方法进行分析模型的建立.

　　微小惯性钟表延时机构组成包括偏心齿轮、卡摆、挡块三个部分,如图1所示.这个机构是以常规引信中的钟表机构工作原理为基础,其结构形式为二维平板结构.通过机构中的偏心齿轮和卡摆的齿之间的相互摩擦和碰撞,消耗惯性离心力能量,改变安全解除保险的时间,用以保证引信远距离解除保险的要求.

　　机构的工作原理是:在封装前将钟摆机构按图1所示的位置进行装配.当弹体高速旋转时,偏心齿轮受离心力的作用.当离心力达到使偏心齿轮启动,并绕其轴开始旋转时,偏心齿轮和卡摆之间相互碰撞,同时偏心轮之间接触产生摩擦,从而起到机构释放过程中的延时作用,当最后一个偏心齿轮旋转运动到位后即可解除此阶段的保险.

　　1. 2　偏心齿轮和卡摆传动过程的振动模型建立

　　如图2所示,钟表机构传动中,偏心齿轮和卡摆上的轮齿不断进入啮合,产生接触碰撞,啮合齿对不断发生变化以进行连续动力传递.根据经典动力学理论对机构进行简化,动力由偏心齿轮通过轮齿之间的碰撞、啮合传递给卡摆.偏心齿轮、卡摆啮合过程中的振动,可以认为是由于偏心齿轮、卡摆啮合刚度的变化和轮齿之间的间隙引起的冲击连续激振的结果.考虑啮合轮齿之间的间隙影响的偏心齿轮、卡摆振动特征,建立其振动模型.实际上,偏心齿轮和卡摆在相互冲击撞的情况下总会以多种方式消耗系统能量.从工程尺度上来讲,系统阻尼与运动速度是线性关系,将阻尼项引入动力学微分方程,得接触一碰撞动力学方程为: