一種壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力測(cè)試方法研究

曹俊衛(wèi) 王紅磊 臧孌

摘要：壓電執(zhí)行器部件是新一代高壓共軌壓電噴油器中的關(guān)鍵部件，其封裝時(shí)需要施加一定的預(yù)緊力。本文提出了一種壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試裝置，并制定了試驗(yàn)流程。通過樣品壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力的試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該測(cè)試方法可以準(zhǔn)確測(cè)量壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力大小。

Abstract： Piezoelectric actuator is the key component of the new generation of high pressure common rail piezoelectric injector， a certain preload should be applied when packaging. In this paper， a method of measuring the preload of piezoelectric actuator components is presented， The corresponding test device is designed， and the test process was established. The preload of the sample piezoelectric actuator was tested and verified， The results show that the test method can accurately measure the preload of piezoelectric actuator components.

關(guān)鍵詞：壓電執(zhí)行器部件;預(yù)緊力;測(cè)試方法

Key words： piezoelectric actuator components;preload;test method

中圖分類號(hào)：TB552? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0009-02

0? 引言

壓電執(zhí)行器部件是新一代高壓共軌壓電噴油器中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)可以保護(hù)壓電陶瓷堆不被臟東西和油污染，同時(shí)通過施加的預(yù)緊力，保證壓電陶瓷堆安全工作。國(guó)際上高壓共軌領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用這種壓電執(zhí)行器部件，而國(guó)內(nèi)高壓共軌領(lǐng)域還未見這種壓電執(zhí)行器部件的應(yīng)用。因此在自主壓電執(zhí)行器部件研發(fā)時(shí)，對(duì)國(guó)外壓電執(zhí)行器部件樣品預(yù)緊力的測(cè)試有重要的借鑒意義;另一方面，在自主壓電執(zhí)行器部件制造后，對(duì)其預(yù)緊力施加值是否是設(shè)定值同樣需要檢測(cè)。本文提出了一種壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)測(cè)試裝，并制定了試驗(yàn)流程。通過樣品壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力的試驗(yàn)驗(yàn)證，表明了該測(cè)試方法的可行性。

1? 壓電執(zhí)行器部件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，壓電陶瓷堆通電時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，每一個(gè)壓電陶瓷疊片都將縱向伸長(zhǎng)，整個(gè)壓電陶瓷堆的伸長(zhǎng)量為單個(gè)壓電陶瓷疊片伸縮量的疊加。由于壓電陶瓷疊片之間會(huì)存在一定的間隙，同時(shí)由于壓電陶瓷疊片伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的加速度較大，容易造成疊片之間斷裂，因此在使用前需要對(duì)壓電陶瓷堆進(jìn)行封裝，對(duì)壓電陶瓷堆施加一定的預(yù)緊力，封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓電執(zhí)行器部件包括頂蓋11、壓電陶瓷堆12、薄壁筒13、頂桿14、彈性膜片15。通過施加一定預(yù)緊力后，由激光焊接分別將頂蓋和薄壁筒焊接、彈性膜片和薄壁筒焊接，頂桿和彈性膜片焊接，從而完成執(zhí)行器部件封裝。該結(jié)構(gòu)可以保護(hù)壓電陶瓷堆不被臟東西和油污染，同時(shí)通過施加的預(yù)緊力，保證壓電陶瓷堆的安全工作。

2? 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)壓電執(zhí)行器部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置如圖3所示，包括壓電執(zhí)行器部件1、螺釘2、夾塊3、鎖緊螺母4、上蓋板5、鋼球6、傳感器過渡接頭7、定位套8、力傳感器9、底座10。力傳感器固定于底座中間，其上方固定有過渡接頭，該過渡接頭頂端含有一鋼球;壓電執(zhí)行器部件與夾塊通過一種阻燃環(huán)氧膠固連，其穿過上蓋板與鋼球接觸，球面接觸保證力直線傳遞;旋轉(zhuǎn)螺釘向下，使壓電執(zhí)行器部件與鋼球之間產(chǎn)生接觸力，通過力傳感器顯示接觸力大小。通過鎖緊螺母保持壓電執(zhí)行器部件位置不變。

3? 試驗(yàn)原理（圖4）

使用上述試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先將壓電執(zhí)行器部件通過上端蓋中孔安裝于試驗(yàn)裝置上，記錄力傳感器初始讀數(shù)G1，此為力傳感器及過渡接頭等自重。通過旋轉(zhuǎn)螺釘向下，使壓電執(zhí)行器部件與鋼球接觸，通過鎖緊螺母保持執(zhí)行器部件位置不變。對(duì)裝配后的壓電執(zhí)行器部件薄壁筒線切割，通過剛度測(cè)試機(jī)對(duì)壓電陶瓷堆直接施加外力F1，頂桿克服彈性膜片的預(yù)緊力F，與力傳感器接觸，記錄力傳感器讀數(shù)G2，則：

4? 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

本文根據(jù)上述試驗(yàn)裝置及原理，設(shè)計(jì)了如圖5所示的試驗(yàn)流程，主要包括：①試驗(yàn)裝置連接力傳感器，記錄示數(shù)G1; ②壓電執(zhí)行器部件與夾塊通過阻燃環(huán)氧膠固連，并通過高溫加固;③測(cè)試壓電執(zhí)行器部件動(dòng)態(tài)位移，比較初始位移是否下降;④將壓電執(zhí)行器部件安裝于試驗(yàn)裝置上，并使其與力傳感器上端鋼球接觸，通過鎖緊螺母固定壓電執(zhí)行器部件此時(shí)的位置;⑤對(duì)壓電執(zhí)行器部件薄壁筒上部線切割，并移除薄壁筒上部;⑥通過剛度測(cè)試機(jī)對(duì)壓電陶瓷堆直接施加外力，分別記錄剛度測(cè)試機(jī)示數(shù)F1和力傳感器示數(shù)G2。通過公式（1）、公式（2）即可算出預(yù)緊力F大小。

5? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文提出的壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力的測(cè)試方法，對(duì)樣品壓電執(zhí)行器部件（如圖6所示）進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。分別測(cè)試了1#、2#兩個(gè)樣品，兩個(gè)測(cè)試樣品的標(biāo)稱預(yù)緊力均為100N。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，通過公式（1）、公式（2）得到計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2中可以看出，樣品1#，預(yù)緊力測(cè)試值97.4N，標(biāo)稱值誤差為2.6%。樣品2#，預(yù)緊力測(cè)試值94.4N，標(biāo)稱值誤差為5.6%。由此可見，兩個(gè)樣品預(yù)緊力測(cè)試值與標(biāo)稱值誤差均較小，表明該測(cè)試方法可以準(zhǔn)確測(cè)試壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力大小。

6? 結(jié)論

本文提出了一種壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試裝置，并制定了試驗(yàn)流程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用該測(cè)試方法對(duì)樣品壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該測(cè)試方法可以準(zhǔn)確測(cè)量壓電執(zhí)行器部件預(yù)緊力大小，為借鑒國(guó)外樣品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和自主壓電執(zhí)行器部件檢驗(yàn)提供了條件，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]E.J.Hearn ，chapter 10，Thick Cylinders of Mechanics of Materials 1（Ⅲ）， chapter 10[M]， 1997.

[2]單輝祖.材料力學(xué)Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2016.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)委員會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第1冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]臧孌，莊福如，吳小勇.壓電式共軌噴油器執(zhí)行器性能研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2012（2）：33-36.