一種壓電執行器部件預緊力測試方法研究

曹俊衛 王紅磊 臧孌

摘要：壓電執行器部件是新一代高壓共軌壓電噴油器中的關鍵部件，其封裝時需要施加一定的預緊力。本文提出了一種壓電執行器部件預緊力的測試方法，設計了相應的測試裝置，并制定了試驗流程。通過樣品壓電執行器部件預緊力的試驗驗證，表明該測試方法可以準確測量壓電執行器部件預緊力大小。

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.

關鍵詞：壓電執行器部件;預緊力;測試方法

Key words： piezoelectric actuator components;preload;test method

中圖分類號：TB552? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0009-02

0? 引言

壓電執行器部件是新一代高壓共軌壓電噴油器中的關鍵部件，其結構可以保護壓電陶瓷堆不被臟東西和油污染，同時通過施加的預緊力，保證壓電陶瓷堆安全工作。國際上高壓共軌領域已廣泛應用這種壓電執行器部件，而國內高壓共軌領域還未見這種壓電執行器部件的應用。因此在自主壓電執行器部件研發時，對國外壓電執行器部件樣品預緊力的測試有重要的借鑒意義;另一方面，在自主壓電執行器部件制造后，對其預緊力施加值是否是設定值同樣需要檢測。本文提出了一種壓電執行器部件預緊力的測試方法，設計了相應測試裝，并制定了試驗流程。通過樣品壓電執行器部件預緊力的試驗驗證，表明了該測試方法的可行性。

1? 壓電執行器部件結構

如圖1所示，壓電陶瓷堆通電時，由于逆壓電效應，每一個壓電陶瓷疊片都將縱向伸長，整個壓電陶瓷堆的伸長量為單個壓電陶瓷疊片伸縮量的疊加。由于壓電陶瓷疊片之間會存在一定的間隙，同時由于壓電陶瓷疊片伸長運動的加速度較大，容易造成疊片之間斷裂，因此在使用前需要對壓電陶瓷堆進行封裝，對壓電陶瓷堆施加一定的預緊力，封裝結構如圖2所示。

壓電執行器部件包括頂蓋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，從而完成執行器部件封裝。該結構可以保護壓電陶瓷堆不被臟東西和油污染，同時通過施加的預緊力，保證壓電陶瓷堆的安全工作。

2? 試驗裝置設計

根據壓電執行器部件結構特點，本文設計的試驗裝置如圖3所示，包括壓電執行器部件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;壓電執行器部件與夾塊通過一種阻燃環氧膠固連，其穿過上蓋板與鋼球接觸，球面接觸保證力直線傳遞;旋轉螺釘向下，使壓電執行器部件與鋼球之間產生接觸力，通過力傳感器顯示接觸力大小。通過鎖緊螺母保持壓電執行器部件位置不變。

3? 試驗原理（圖4）

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

4? 試驗流程設計

本文根據上述試驗裝置及原理，設計了如圖5所示的試驗流程，主要包括：①試驗裝置連接力傳感器，記錄示數G1; ②壓電執行器部件與夾塊通過阻燃環氧膠固連，并通過高溫加固;③測試壓電執行器部件動態位移，比較初始位移是否下降;④將壓電執行器部件安裝于試驗裝置上，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行器部件此時的位置;⑤對壓電執行器部件薄壁筒上部線切割，并移除薄壁筒上部;⑥通過剛度測試機對壓電陶瓷堆直接施加外力，分別記錄剛度測試機示數F1和力傳感器示數G2。通過公式（1）、公式（2）即可算出預緊力F大小。

5? 試驗結果及分析

為了驗證本文提出的壓電執行器部件預緊力的測試方法，對樣品壓電執行器部件（如圖6所示）進行試驗驗證。分別測試了1#、2#兩個樣品，兩個測試樣品的標稱預緊力均為100N。測試數據如表1所示，通過公式（1）、公式（2）得到計算結果如表2所示。

由表2中可以看出，樣品1#，預緊力測試值97.4N，標稱值誤差為2.6%。樣品2#，預緊力測試值94.4N，標稱值誤差為5.6%。由此可見，兩個樣品預緊力測試值與標稱值誤差均較小，表明該測試方法可以準確測試壓電執行器部件預緊力大小。

6? 結論

本文提出了一種壓電執行器部件預緊力的測試方法，設計了相應的測試裝置，并制定了試驗流程。在此基礎上，應用該測試方法對樣品壓電執行器部件預緊力進行了試驗驗證。結果表明該測試方法可以準確測量壓電執行器部件預緊力大小，為借鑒國外樣品設計經驗和自主壓電執行器部件檢驗提供了條件，具有重要的實用價值。

參考文獻：

[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Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2016.

[3]機械設計手冊委員會.機械設計手冊新版第1冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

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