第七章 汽车自动变速器_百度文库
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第七章 汽车自动变速器|汽​车​电​控
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车辆毕业设计-变速器性能闭式试验台运动仿真设计（全套CAD图纸）
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世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I由N.Christofilos发明并于1963年在美国劳伦斯利 弗莫尔实验室LLNL建成该加速器可提供束流350A能量4MeV脉宽300ns及重复率100Hz的脉冲电子束用于约束等离子体并在后续实验中用于研究电子束通过大气传输的可行性远期目标是创造粒子束武器感&&&&应直线感应国&&&&家美国发明者N.Christofilos时&&&&间1963年
之后美国又陆续研制了用于加速质子的ERA加速器4MeV1kA45ns用于自由电子激光FEL研究的ETA加速器5MeV10kA60ns1kHz猝发ATA加速器50MeV10kA70ns1kHz猝发和高平均功率的ETA-II加速器6MeV2kA70ns5kHz准连续同时ETA和ATA加速器还用于带电粒子束通过大气传输的研究
1982年劳伦斯利弗莫尔实验室研制了用于核武器流体动力学试验闪光X光照相的FXR加速器20MeV2~4kA60ns这是直线感应加速器首次用于闪光X光照相1990年代随着全面禁核试时代的到来为了在全面禁核试后继续保持核武器研究和发展能力各核国家纷纷花大力气提高自已的闪光X光照相能力美国能源部决定建造双轴闪光X光照相试验设施DARHT并计划建造先进流体动力学试验设施AHFDARHT装置由两台轴线互成90°的20MeV直线感应加速器DARHT-I和DARHT-II组成前者是一台脉宽为60ns的短脉冲加速器一次只能获得某一时刻的X光照片后者则是一台脉宽为2μs的长脉冲加速器通过踢束器能产生4个脉宽为20~60ns的脉冲一次能获得4个不同时刻的X光照片AHF是一台具有多角度多时刻闪光光照相能力的直线感应加速器DARHT-I加速器已于1999年在洛斯阿拉莫斯实验室LANL建成DARHT-II加速器因技术问题完成时间推迟仍在建造之中除大力发展加速电子的直线感应加速器外从1970年代起美国开始陆续建造加速重离子的小型实验加速器用于研究直线感应加速器驱动的重离子聚变
前发展直线感应加速器起步比美国稍晚1967年在实验物理研究院VNIIEF建成第一台无铁芯的直线感应 加速器2MeV2kA40ns之后利用径向线加速原理分别于1977年和1989年建造了LIU-10加速器14MeV50kA20ns和LIU-30加速器40MeV100kA20ns用于模拟核爆的强轫致辐射源和强中子源另外汤姆斯克理工大学于1981年研制成功重复频率的直线感应加速器LIU2/32MeV3kA70ns10Hz用于自由电子激光研究此后又陆续研制了一批用于高功率微波研究的重复频率直线感应加速器
原子能委员会核武器研究中心从1988年开始直线感应加速器研究发展计划首先建成了用于自由电子激光研究的LELIA加速器2.5MeV1kA50ns之后又研制了PIVAIR加速器8MeV3.5kA60ns全面禁核试后法国亦斥巨资研制与DARHT-I基本相同的直线感应加速器AIRIX注入器从美国购买以全面提高闪光X光照相能力该加速器已于1999年底建成
原子武器机构AWE计划建造3台14MV感应叠加型的直线感应加速器以构成多角度闪光X光照相预计2010年运行
1990年原子能研究所JAERI高能物理所KEK及大坂大学激光工程研究所先后建成用于自由电子激光研究的直线感应加速器1996年日本长岗技术大学建造了直线感应加速器ETIGO-III8MeV5kA30ns用于X光高功率微波和烟气脱硫等研究
卡尔斯鲁厄核物理研究中心在美国的帮助下于1993年建造了基于感应叠加的直线感应加速器KALIF-HELIA6MeV360kA50ns用于强流轻离子束与物质相互作用X光激光泵浦和惯性约束聚变等研究直线感应
的直线感应加速器研究始于1982年走自主创新的发展道路取得了一系列的成果1989年研制成功中国首台1.5MeV直线感应加速器1991年建成3.3MeV加速器3.3MeV2kA60ns用于曙光一号自由电子激光研究最大输出功率达140MW为当时亚洲同类实验的最好结果1993年建成中国首台用于闪光X光照相的10MeV直线感应加速器10MeV2.3kA60ns1995年该机升级为12MeV几年前自主研制成功神龙一号直线感应加速器18~20MeV2.5kA60ns神龙一号加速器总体性能达到国际先进水平直线感应加速器主要由注入器加速组元系统脉冲功率系统束输运系统测控系统及辅助系统包括真空 绝缘油绝缘气体及去离子水等组成其中注入器是加速器的前级作用是产生高品质强流粒子束并注入由加速组元串接构成的加速段加速脉冲功率系统是加速器的脉冲发生器它按设定时序给每一个加速组元输入高电压脉冲在加速间隙上形成加速电压束输运系统的作用是保证强流粒子束从产生到加速直至输出的整个过程不致发散使束流损失束截面大小等参数及束不稳定性控制在设定范围内直线感应加速器的束输运系统最显著的特征是具有输运强流粒子束的能力通常采用连续的螺线管输运磁场或四极子输运场的或电的具体选择何种输运场取决于输运粒子种类电子轻离子或重离子粒子能量及粒子束流强度当采用螺线管输运磁场时通常将螺线管线圈放在加速组元内测控系统的作用是使加速器各部件按正常的时序和参数可靠的工作并监测相关工作参数以判断加速器是否正常工作直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子用随时间变化的磁场产生的电场加速带电粒子的思想早在上世纪20年代就已提出并在1941年研制成功第一台圆形轨道加速器即现在人们熟知的电子感应加速器Betatron在这种加速器中电子是被随时间变化的磁场在与其垂直的平面内感生的圆形涡旋电场加速的故运动轨道为圆形直线感应加速器与电子感应加速器不同带电粒子沿直线被加速为此直线感应加速器采用了感应组元或加速组元结构感应组元可以简单地看成为一个1:1的脉冲变压器环绕圆环状磁芯有两个回路其中与脉冲发生器相连的回路是初级而包含粒子束流和加速间隙的回路是次级当脉冲发生器产生的脉冲电压输入初级回路时使磁芯产生磁通量的变化因而在次级回路的加速间隙上产生感应电压加速间隙区域形成轴对称的轴向感应电场当带电此时通过就能得到沿轴向的加速设带电粒子电荷量为q加速间隙的感应电压即加速电压为Vc则该带电粒子通过加速间隙加速获得的能量为qVc
另一种产生加速电压的方法是采用无磁芯的感应组元这种组元工作时虽然磁通密度B不变化但B所占的面积发生变化同样导致磁通量的变化因而感应产生加速电压无磁芯感应组元基本上是一个径向传输线或轴向传输线
直线感应加速器由一个感应组元或多个感应组元轴向串接组成这种积木式结构不仅使直线感应加速器结构简单且便于粒子束能量的调整及粒子束的注入与引出通常由有磁芯感应组元构成的加速器称为芯型直线感应加速器而由无磁芯感应组元构成的则称为线型直线感应加速器
感应组元本身是一个感应源当用金属导体代替粒子束流将N个感应组元轴向串联起来时可将这N个组元的电压感应叠加形成N倍高的电压称为感应电压叠加器IVA感应电压叠加器产生的高电压可用于产生粒子束或提供给负载它本身就是一台加速器也常作为直线感应加速器的前级注入器为其提供粒子束源通常感应电压叠加器也看成是一种直线感应加速器直线感应加速器40余年的发展进程中应用需求始终推动着直线感应加速器技术不断发展和创新前20年主要侧重发展强流和高峰功率技术20世纪80年代开始发展高平均功率技术和束品质控制技术90年代以后主要发展MHz重复频率能力的固体开关调制器技术和高频磁芯材料技术以及高梯度绝缘体技术并促进了概念创新出现了环形直线感应加速器感应和介质壁加速器等新概念直线感应加速器下面分别进行介绍
1强流和高峰功率技术 提高流强和峰功率涉及高功率脉冲功率技术加速组元强流束输运强源等众多技术的提高和创新主要经过前20年的发展流强和峰功率得到了大幅的提升例如美国ATA加速器的电子束流强达10kA峰功率达500GW平均功率也达1MW满足了当时自由电子激光研究和带电粒子束在大气中传输研究的需要又如前苏联的径向传输线型LIU-30加速器的电子束流强高达100kA峰功率高达4TW用于核武器效应模拟还有美国的感应叠加器型HERMES-III加速器19MeV700kA28ns的电子束流强高达700kA峰功率高达13TW是世界上功率最强大的短脉冲γ射线模拟源用于模拟爆瞬时辐射对电子学和完整军事系统的效应以上三台加速器对直线感应加速器强流和高峰功率技术的发展具有里程碑意义 2高平均功率技术
直线感应加速器发展初期平均重复率通常在大约100Hz以下这主要是由于脉冲系统所用的充气火花隙开关工作频率的限制上世纪80年代发展的磁开关技术是高平均功率技术的重大进展它使直线感应加速器的重复频率从大约100Hz一下跃升至几kHz采用磁开关技术建成的ETA-II加速器输出的电子束不仅平均功率高达3MW而且具有高峰功率12GW和好的束品质用于产生高平均功率自由电子激光和微波的研究以及后来的许多科学研究
3束品质控制技术
直线感应加速器的许多应用如闪光X光照相高功率自由电子激光重离子等不仅要求强流和高功率而且要求高的束品质以满足束聚焦提高转换效率等不同的要求弱流情况下没有空间电荷的影响实现高束品质相对容易但在强流高功率情况下空间电荷非线性力的影响及不稳定性影响严重经过长距离加速输运后仍要保持高的束品质难度极大束品质主要用束能散度束发射度及束的稳定性来表征束品质控制技术要解决的问题是如何实现要求的低能散度低束发射度及抑制各种束不稳定性这涉及解决一系列相关的物理和技术问题大体从20世纪80年代后期开始通过在高品质束源技术宽平顶高电压产生技术低横向耦合阻抗加速组元技术低横向场分量螺线管线圈技术高精度磁轴准直技术束心智能调谐技术束不稳定性抑制技术等关键技术上的相继突破对强流品质的控制技术逐渐走向成熟取得明显效果例如1999年建成的DARHT-I加速器采用了一系列束品质控制技术束品质显著提高使X光焦斑直径50%MTF减小到约2mm这是同类加速器此前从未达到过的但对重离子束品质的控制还很不成熟由于重离子束始终是空间电荷占优的束许多问题尚待解决
4固体开关调制器技术
固体开关调制器是使用固体开关的脉冲发生器常用的半导体固体开关有场效应管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT固体开关调制器的主要特点首先是高重复频率可达几MHz其次是产生的脉冲格式包括脉冲数量极性组合方式形状幅度等适应性强且精度高目前已有不少固体开关调制器投入应用和研究工作其中ARM-II是有代表性的一种它可以2MHz的重复率输出45kV4.8kA的脉冲且脉冲格式可以变化
5高频磁芯材料技术
加速组元能在几MHz的高重复频率下工作的关键是磁芯材料具有优良的高频特性即要求磁芯材料在几MHz的高重复频率下仍有足够高的通量增量ΔB和每个脉冲激励期间较为固定的导磁率μ且损耗又足够低研究表明微晶合金Nanocrystallinealloy商品名Finemet和非晶金属玻璃在MHz下仍具有优良的特性满足MHz重复频率加速组元的要求已在实际中应用
6高梯度绝缘体HGI技术
高梯度绝缘体由多层薄绝缘体和薄导体交替紧密叠压构成因此高梯度绝缘体技术又称为微叠层技术这种微叠层结构沿面有利于抑制发射电子的雪崩过程因而具有比普通绝缘体优异的击穿特性这已被实验证实微叠层导体间隔距离即绝缘层厚度对击穿特性有显著影响实验研究表明随绝缘层厚度减小击穿场强增加图5的结果表明高梯度绝缘体的表面击穿场强比普通绝缘体显著提高在脉宽2ns到10μs范围比普通绝缘体大致提高5~6倍当脉宽为100ns时高梯度绝缘体表面击穿场强约为350kV/cm35MV/m而普通绝缘体仅约为60kV/cm6MV/m直线感应加速器已广泛应用于科学研究国防领域和国民经济领域这里介绍几种主要的应用包括闪光X光照相高功率微波和自由电子激光重离子聚变以及在高能物理和能源科学的可能应用
1闪光X光照相
闪光X光照相是直线感应加速器的一种主要应用闪光X光照相是利用强的脉冲X光对高速运动物体某一时刻的运动状态进行透视照相如果X光的脉冲宽很短则可以获得高速运动物体该时刻的准静态X光透视图像与人体X光透视的原理完全一样闪光X光照相作为最重要的诊断手段用于核武器初级的流体动力学试验始于美国的曼哈顿计划即第一颗原子弹研制期间所谓流体动力学试验就是使用裂变替代材料如的核武器初级模型的内爆试验由于在高能炸药产生的高温和高压下和其他材料象流体一样流动故称之为流体动力学试验利用这种试验可以研究核武器初级从内爆压缩到裂变反应临界点之前的全过程的物理学现象校验模拟计算程序以及评估材料的老化效应和新制造的部件等加速器按指定时刻输出的脉冲经聚焦透镜聚焦到高原子序数靶钽或钨上通过韧致辐射产生脉冲X光对内爆中的模型进行透视透射出的X光最终在图像探测器上成像从而获得该时刻模型的内爆图像为了防止加速器和图像探测器被模型内爆产物破坏可采取保护措施或在爆炸容器内进行试验 实现高照相要求X光焦斑直径50%MTF小到2mm左右实现这种小X光焦斑要求直线感应加速器输出的2~3kA的强流电子束具有极好的束品质和优良的聚焦系统这是十分困难的从1963年投入使用的新一代闪光X光机PHERMEX射频直线驻波加速器算起到1999年建成DARHT-I直线感应加速器经过了36年才实现了大型闪光X光机X光焦斑直径50%MTF2mm的要求
2重离子聚变
聚变的最终目标是要在10ns内将能量为几MJ且动能为几GeV的重离子束聚焦到靶上以实现靶的聚变点火美国的重离子聚变计划选择多束直线感应加速器作为重离子聚变的驱动器有代表性的驱动器主线设计如图10所示注入器产生大约100束约200amu原子质量单位的重子离束然后输入一台约3GeV的多束直线感应加速器被同时并行加速每一束都有自己的交变梯度四极子聚焦通道出加速器后这些束在漂移压缩段被纵向压缩再经末级聚焦和中性化进入靶腔在其内传输到靶近两年又提出了一种新的积木式驱动器概念用大约20台螺线管线圈聚焦的能量较低约200MeV的直线感应加速器代替多束直线感应加速器作为驱动器其设想如图11所示该方案采用最终能量200MeV束流约170kA每束的氖离子Ne+20amu多年来对驱动器开展了大量的研究,在多束强流重离子源和注入器强流重离子束的加速和传输以及重离子束的中性化漂移压缩和聚焦等方面取得了重要进展研究表明采用中性化漂移压缩和聚焦技术,积木式驱动器能满足靶的聚焦要求其造价具有竞争力并提供一条有吸引力的发展惯性聚变能的途径;多束直线感应加速器驱动器的加速器能量长度和造价也能降低目前和今后的一个新研究重点是探索中性化束压缩和聚焦到极高强度的物理学,已计划一系列3个实验10倍纵向压缩2006年100倍压缩和1eV靶能力2009年10eV靶能力2014年美国政府已强调增加重对高能密度物理研究的近期应用计划目标是在5年内用MeV级的重离子束将等体积的靶加热到大于1eV在分解实验的基础上已经计划了集成束实验IBX和集成研究实验IRE集成束实验可能是相当低能约6~10MeV的单束实验其设计可能包括和试验两种驱动器的部件而集成研究实验会将驱动器规模束加速到几百MeV,该实验建设之前会对这两种驱动器作出选择
3高功率微波和自由电子激光
直线感应加速器产生的一个重要应用是设想作为高能正负电子直线对撞机的功率源即相对论束调管双束加速器RK-TBA方案这种方案用直线感应加速器加速强流低能量的驱动束,并在大部分束线维持10MeV能量同时采用类似速调管的结构从驱动束引出频率为11.4GHz的射频功率然后送到对撞机的高梯度加速结构上去加速另一束低电流束达到高能量据估算一台加速梯度50~200MeV/m工作频率11.4MHz~30MHz能量1~5TeV的直线对撞机对驱动束的要求是束流约1kA加速梯度0.3MeV/m脉宽50200ns始终维持束能量10MeV以及重复频率约180Hz
这些指标对直线感应加速器来说非常普通这种方案的主要技术挑战是强流束的长距离传输经过多年的理论和实验工作已取得重要结果对该方案的基础技术层面的论证已完成
4.在高能物理和能源科学的可能应用
1超级束团强子对撞机
这是具有超级束团能力的感应同步加速器典型的应用在超级束团强子对撞机中超级质子束团在对撞机环上的占空比可高达20%-30%而普通强子对撞机仅3%-4%因此超级束团强子对撞机的亮度可比普通强子对撞机提高大约20倍亮度达到约据估算一台设计能量2×31TeV亮度的超级束团强子对撞机要求感应加速组元产生总电压约3MV脉宽0.5μs重复频率90kHz的加速电压用于纵向脉冲约束的感应组元需要产生约100kV短电压脉冲这是直线感应加速器技术可以实现的
2中微子工厂/μ介子
基本概念是用直线感应加速器对纳秒质子束脉冲击靶产生的π介子/μ介子进行相空间旋转以降低其能量散度主要物理和技术问题是高加速梯度结构2MV/m高猝发重复频率大约3.3MHz可靠性功率消耗量
用直线感应加速器产生下一代散裂中子源要求的质子脉冲约1GeV1μs50Hz100A与直线感应加速器技术非常匹配这种想法是DenisKeefe20多年前提出的我国的王淦昌院士在1993年也曾提出过类似设想
用固定场交变梯度环形感应加速器CIAFFAG产生的散裂中子源驱动次临界的核废物嬗变反堆
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