壓電執行器預緊力測試分析

曹俊衛 王紅磊 臧孌

摘要：壓電執行器是新一代高壓共軌壓電噴油器中的關鍵部件，其位移和力輸出特性對于壓電噴油器性能的影響極為重要。本文采用自制預緊力測試裝置測試預緊力大小，并通過靜、動位移測試和可靠性測試，確定了合理預緊力大小，保證了壓電執行器的位移輸出特性和可靠性，為壓電執行器的設計提供參考依據。

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.

關鍵詞：壓電執行器;預緊力;可靠性

Key words： piezoelectric actuator;preload;reliability

中圖分類號：TP215? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0049-02

0? 引言

隨著國六排放法規的實施，采用高壓共軌燃油噴射技術柴油機得到廣泛應用。隨著噴射壓力和噴射次數的進一步提高，對噴油器提出了更高的要求。采用響應快、可靠性高的壓電噴油器可以滿足這一要求。

壓電執行器作為壓電噴油器執行機構，其位移和力輸出特性對于壓電噴油器性能的影響極為重要。本文設計一種預緊力測試裝置，并對某型號壓電執行器進行試驗分析驗證，為壓電執行器的設計提供參考依據。

1? 壓電執行器特性

壓電執行器結構如圖1所示。壓電執行器是由上百片壓電片疊加而成，層與層之間有內電極，機械結構為串聯而電路為并聯。這種結構具有承載力大、響應快、位移重復性好、體積效率高等顯著特點，因此得到廣泛使用。

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

式中：△L為總輸出位移;n為壓電片層數;U為驅動電壓，d33為壓電應變系數。

2? 試驗裝置設計

根據壓電執行器的特性，為了執行器的使用安全性，在執行器工作過程中需要對執行器施加一定的預緊力，預緊力越小，內部拉應力越大會導致壓電執行器工作時斷裂;而預緊力越大，會導致壓電執行器輸出位移下降，所以需要確定合理的預緊力，既能保證壓電執行器的輸出特性，又能保證可靠性。

本文中通過碟簧施加預緊力，碟簧具有剛度大、空間尺寸小、回位穩定等特點，其剛度大于1000N/mm，所以設計如圖2所示測試裝置。共軌壓電執行器被安裝在壓電執行器部件內，通過碟簧的預壓縮對執行器施加預緊力。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凹端面上，頂桿的頭部可以通過安裝體中孔并被中孔導向;壓電執行器一端與頂桿大端面面接觸，另一端和調整墊片接觸，壓板通過螺釘固定在安裝體上，壓板有中孔。壓電執行器部件被固定在支架上端。測試裝置中含有力傳感器，力傳感器的上端與壓電執行器部件內的調整墊片聯接，下端與調節機構聯接。

當調節機構逐漸推進，壓電執行器部件內的頂桿逐漸伸出，其伸出量的大小通過高度計測試得出。而碟簧被逐漸壓縮，力的大小通過力傳感器輸出。理論上當調節機構推進到預緊狀態下碟簧的預壓縮量之后，其剛度值與碟簧剛度值是一致的，而剛度轉折點即為預緊力點。

由于碟簧剛度大，力-變形曲線線性段較窄，為保證試驗數據的準確性，應對具體的碟簧進行先期試驗，測試出其力-變形的曲線。

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

圖4為帶預緊力力-變形曲線，從圖4中可以看出，力-變形曲線分為兩個線性段，其中在調節機構推進的初始階段，變形小，剛度大，可視為材料本身的變形，計算其剛度為14300N/mm;在300N后，變形大，剛度小，計算其剛度為1420N/mm，與碟簧剛度基本一致，表明300N即為施加的預緊力大小。

3? 預緊力試驗驗證

為了找出壓電執行器所需的合理預緊力，進行不同預緊力下靜態和動態位移測試。通過不同剛度的碟簧和調整墊片施加預緊力，并通過上述方法測岀預緊力的大小。本文中使用的樣品為某尺寸5×5×35規格壓電執行器。

3.1 靜態位移測試

如圖5所示，為相同電壓下，不同預緊力下的靜態位移曲線。預緊力不同，壓電執行器的靜態位移滯回曲線的趨勢相似。其中，預緊力300N時靜態位移量輸出與無預載的狀態下表現相近，此后，隨著預緊力的增加，最大位移輸岀量下降。由此可見，對于材料一定的某尺寸執行器，驅動能力一定，過大的載荷會造成輸出位移的下降。在同樣的驅動能力下，由于預緊力過大，使得壓電執行器的有效輸出力減小，可產生的位移輸出量減小。

3.2 動態位移測試

如圖6所示，為同一驅動電壓下，不同預緊力下的動態位移。由圖6可以看出，300N時位移為35um，隨著預緊力的增加，執行器動態位移輸出量呈迅速減小趨勢。由此可見，過大的預緊力會降低執行器的動態位移輸出。同時考慮到執行器工作中拉應力的影響，因在不影響位移輸岀的情況下，盡可能選取大的預緊力。本文中預緊力應選取300N較為合適。

3.3 可靠性測試

為了驗證得到的300N預緊力的合理性，對該壓電執行器樣品進行可靠性試驗。根據某發動機轉速3600rpm， 1000小時可靠性試驗，共計需動作1.08億次。

計算得輸出位移量為34.6um，與初始位移35um基本一致。表明該壓電執行器在300N預緊力下，可滿足可靠性要求。

4? 結束語

本文設計了一種預緊力測試裝置，測試了壓電執行器部件預緊力大小。通過不同預緊力大小的靜態和動態位移測試，得到最大預緊力為300N時，可保證壓電執行器位移輸出特性。對壓電執行器樣品進行1億次可靠性試驗，并順利通過，驗證了在該預緊力大小下，壓電執行器的可靠性。通過確定合理預緊力大小，保證了壓電執行器的輸出特性和可靠性，為壓電執行器的設計提供參考依據。

參考文獻：

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