壓電執(zhí)行器預(yù)緊力測(cè)試分析

曹俊衛(wèi) 王紅磊 臧孌

摘要：壓電執(zhí)行器是新一代高壓共軌壓電噴油器中的關(guān)鍵部件，其位移和力輸出特性對(duì)于壓電噴油器性能的影響極為重要。本文采用自制預(yù)緊力測(cè)試裝置測(cè)試預(yù)緊力大小，并通過靜、動(dòng)位移測(cè)試和可靠性測(cè)試，確定了合理預(yù)緊力大小，保證了壓電執(zhí)行器的位移輸出特性和可靠性，為壓電執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

Abstract： Piezoelectric actuator is the key component of the high-pressure piezoelectiic common rail injector， its displacement and force output characteristics is very impoilant for the performance of the piezoelectric injector. This paper design a device to test the value of pre-load， and detei-mine a reasonable pre-load by static displacement test and dynamic displacement test and reliability test. The reasonable pre-load can ensure the displacement output characteristics and reliability of piezoelectric actuator and provide reference for the design of piezoelectric actuator.

關(guān)鍵詞：壓電執(zhí)行器;預(yù)緊力;可靠性

Key words： piezoelectric actuator;preload;reliability

中圖分類號(hào)：TP215? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0049-02

0? 引言

隨著國(guó)六排放法規(guī)的實(shí)施，采用高壓共軌燃油噴射技術(shù)柴油機(jī)得到廣泛應(yīng)用。隨著噴射壓力和噴射次數(shù)的進(jìn)一步提高，對(duì)噴油器提出了更高的要求。采用響應(yīng)快、可靠性高的壓電噴油器可以滿足這一要求。

壓電執(zhí)行器作為壓電噴油器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其位移和力輸出特性對(duì)于壓電噴油器性能的影響極為重要。本文設(shè)計(jì)一種預(yù)緊力測(cè)試裝置，并對(duì)某型號(hào)壓電執(zhí)行器進(jìn)行試驗(yàn)分析驗(yàn)證，為壓電執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1? 壓電執(zhí)行器特性

壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓電執(zhí)行器是由上百片壓電片疊加而成，層與層之間有內(nèi)電極，機(jī)械結(jié)構(gòu)為串聯(lián)而電路為并聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)具有承載力大、響應(yīng)快、位移重復(fù)性好、體積效率高等顯著特點(diǎn)，因此得到廣泛使用。

單片壓電片在電場(chǎng)中產(chǎn)生位移，通過多層疊加而使總輸出位移增大。壓電執(zhí)行器位移公式如下：

式中：△L為總輸出位移;n為壓電片層數(shù);U為驅(qū)動(dòng)電壓，d33為壓電應(yīng)變系數(shù)。

2? 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)壓電執(zhí)行器的特性，為了執(zhí)行器的使用安全性，在執(zhí)行器工作過程中需要對(duì)執(zhí)行器施加一定的預(yù)緊力，預(yù)緊力越小，內(nèi)部拉應(yīng)力越大會(huì)導(dǎo)致壓電執(zhí)行器工作時(shí)斷裂;而預(yù)緊力越大，會(huì)導(dǎo)致壓電執(zhí)行器輸出位移下降，所以需要確定合理的預(yù)緊力，既能保證壓電執(zhí)行器的輸出特性，又能保證可靠性。

本文中通過碟簧施加預(yù)緊力，碟簧具有剛度大、空間尺寸小、回位穩(wěn)定等特點(diǎn)，其剛度大于1000N/mm，所以設(shè)計(jì)如圖2所示測(cè)試裝置。共軌壓電執(zhí)行器被安裝在壓電執(zhí)行器部件內(nèi)，通過碟簧的預(yù)壓縮對(duì)執(zhí)行器施加預(yù)緊力。碟簧的一端與安裝體接觸，另一端與頂桿接觸，頂桿的另一面通過碟簧壓緊在安裝體內(nèi)凹端面上，頂桿的頭部可以通過安裝體中孔并被中孔導(dǎo)向;壓電執(zhí)行器一端與頂桿大端面面接觸，另一端和調(diào)整墊片接觸，壓板通過螺釘固定在安裝體上，壓板有中孔。壓電執(zhí)行器部件被固定在支架上端。測(cè)試裝置中含有力傳感器，力傳感器的上端與壓電執(zhí)行器部件內(nèi)的調(diào)整墊片聯(lián)接，下端與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)聯(lián)接。

當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)逐漸推進(jìn)，壓電執(zhí)行器部件內(nèi)的頂桿逐漸伸出，其伸出量的大小通過高度計(jì)測(cè)試得出。而碟簧被逐漸壓縮，力的大小通過力傳感器輸出。理論上當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)推進(jìn)到預(yù)緊狀態(tài)下碟簧的預(yù)壓縮量之后，其剛度值與碟簧剛度值是一致的，而剛度轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為預(yù)緊力點(diǎn)。

由于碟簧剛度大，力-變形曲線線性段較窄，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)對(duì)具體的碟簧進(jìn)行先期試驗(yàn)，測(cè)試出其力-變形的曲線。

圖3為本次試驗(yàn)所用碟簧的力-變形曲線。從圖3中可以看出，該規(guī)格碟簧壓縮量為0.1-0.3時(shí)，剛度曲線近似線性，可根據(jù)變形量推斷碟簧負(fù)荷大小。本次試驗(yàn)所用碟簧的力-變形曲線在中間段接近線性，碟簧剛度范圍為1250-1400N/mm。

圖4為帶預(yù)緊力力-變形曲線，從圖4中可以看出，力-變形曲線分為兩個(gè)線性段，其中在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)推進(jìn)的初始階段，變形小，剛度大，可視為材料本身的變形，計(jì)算其剛度為14300N/mm;在300N后，變形大，剛度小，計(jì)算其剛度為1420N/mm，與碟簧剛度基本一致，表明300N即為施加的預(yù)緊力大小。

3? 預(yù)緊力試驗(yàn)驗(yàn)證

為了找出壓電執(zhí)行器所需的合理預(yù)緊力，進(jìn)行不同預(yù)緊力下靜態(tài)和動(dòng)態(tài)位移測(cè)試。通過不同剛度的碟簧和調(diào)整墊片施加預(yù)緊力，并通過上述方法測(cè)岀預(yù)緊力的大小。本文中使用的樣品為某尺寸5×5×35規(guī)格壓電執(zhí)行器。

3.1 靜態(tài)位移測(cè)試

如圖5所示，為相同電壓下，不同預(yù)緊力下的靜態(tài)位移曲線。預(yù)緊力不同，壓電執(zhí)行器的靜態(tài)位移滯回曲線的趨勢(shì)相似。其中，預(yù)緊力300N時(shí)靜態(tài)位移量輸出與無預(yù)載的狀態(tài)下表現(xiàn)相近，此后，隨著預(yù)緊力的增加，最大位移輸岀量下降。由此可見，對(duì)于材料一定的某尺寸執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)能力一定，過大的載荷會(huì)造成輸出位移的下降。在同樣的驅(qū)動(dòng)能力下，由于預(yù)緊力過大，使得壓電執(zhí)行器的有效輸出力減小，可產(chǎn)生的位移輸出量減小。

3.2 動(dòng)態(tài)位移測(cè)試

如圖6所示，為同一驅(qū)動(dòng)電壓下，不同預(yù)緊力下的動(dòng)態(tài)位移。由圖6可以看出，300N時(shí)位移為35um，隨著預(yù)緊力的增加，執(zhí)行器動(dòng)態(tài)位移輸出量呈迅速減小趨勢(shì)。由此可見，過大的預(yù)緊力會(huì)降低執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)位移輸出。同時(shí)考慮到執(zhí)行器工作中拉應(yīng)力的影響，因在不影響位移輸岀的情況下，盡可能選取大的預(yù)緊力。本文中預(yù)緊力應(yīng)選取300N較為合適。

3.3 可靠性測(cè)試

為了驗(yàn)證得到的300N預(yù)緊力的合理性，對(duì)該壓電執(zhí)行器樣品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600rpm， 1000小時(shí)可靠性試驗(yàn)，共計(jì)需動(dòng)作1.08億次。

計(jì)算得輸出位移量為34.6um，與初始位移35um基本一致。表明該壓電執(zhí)行器在300N預(yù)緊力下，可滿足可靠性要求。

4? 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種預(yù)緊力測(cè)試裝置，測(cè)試了壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力大小。通過不同預(yù)緊力大小的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)位移測(cè)試，得到最大預(yù)緊力為300N時(shí)，可保證壓電執(zhí)行器位移輸出特性。對(duì)壓電執(zhí)行器樣品進(jìn)行1億次可靠性試驗(yàn)，并順利通過，驗(yàn)證了在該預(yù)緊力大小下，壓電執(zhí)行器的可靠性。通過確定合理預(yù)緊力大小，保證了壓電執(zhí)行器的輸出特性和可靠性，為壓電執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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