压电执行器预紧力测试分析

曹俊卫 王红磊 臧娈

摘要：压电执行器是新一代高压共轨压电喷油器中的关键部件，其位移和力输出特性对于压电喷油器性能的影响极为重要。本文采用自制预紧力测试装置测试预紧力大小，并通过静、动位移测试和可靠性测试，确定了合理预紧力大小，保证了压电执行器的位移输出特性和可靠性，为压电执行器的设计提供参考依据。

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.

關键词：压电执行器;预紧力;可靠性

Key words： piezoelectric actuator;preload;reliability

中图分类号：TP215                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0049-02

0  引言

随着国六排放法规的实施，采用高压共轨燃油喷射技术柴油机得到广泛应用。随着喷射压力和喷射次数的进一步提高，对喷油器提出了更高的要求。采用响应快、可靠性高的压电喷油器可以满足这一要求。

压电执行器作为压电喷油器执行机构，其位移和力输出特性对于压电喷油器性能的影响极为重要。本文设计一种预紧力测试装置，并对某型号压电执行器进行试验分析验证，为压电执行器的设计提供参考依据。

1  压电执行器特性

压电执行器结构如图1所示。压电执行器是由上百片压电片叠加而成，层与层之间有内电极，机械结构为串联而电路为并联。这种结构具有承载力大、响应快、位移重复性好、体积效率高等显著特点，因此得到广泛使用。

单片压电片在电场中产生位移，通过多层叠加而使总输出位移增大。压电执行器位移公式如下：

式中：△L为总输出位移;n为压电片层数;U为驱动电压，d33为压电应变系数。

2  试验装置设计

根据压电执行器的特性，为了执行器的使用安全性，在执行器工作过程中需要对执行器施加一定的预紧力，预紧力越小，内部拉应力越大会导致压电执行器工作时断裂;而预紧力越大，会导致压电执行器输出位移下降，所以需要确定合理的预紧力，既能保证压电执行器的输出特性，又能保证可靠性。

本文中通过碟簧施加预紧力，碟簧具有刚度大、空间尺寸小、回位稳定等特点，其刚度大于1000N/mm，所以设计如图2所示测试装置。共轨压电执行器被安装在压电执行器部件内，通过碟簧的预压缩对执行器施加预紧力。碟簧的一端与安装体接触，另一端与顶杆接触，顶杆的另一面通过碟簧压紧在安装体内凹端面上，顶杆的头部可以通过安装体中孔并被中孔导向;压电执行器一端与顶杆大端面面接触，另一端和调整垫片接触，压板通过螺钉固定在安装体上，压板有中孔。压电执行器部件被固定在支架上端。测试装置中含有力传感器，力传感器的上端与压电执行器部件内的调整垫片联接，下端与调节机构联接。

当调节机构逐渐推进，压电执行器部件内的顶杆逐渐伸出，其伸出量的大小通过高度计测试得出。而碟簧被逐渐压缩，力的大小通过力传感器输出。理论上当调节机构推进到预紧状态下碟簧的预压缩量之后，其刚度值与碟簧刚度值是一致的，而刚度转折点即为预紧力点。

由于碟簧刚度大，力-变形曲线线性段较窄，为保证试验数据的准确性，应对具体的碟簧进行先期试验，测试出其力-变形的曲线。

图3为本次试验所用碟簧的力-变形曲线。从图3中可以看出，该规格碟簧压缩量为0.1-0.3时，刚度曲线近似线性，可根据变形量推断碟簧负荷大小。本次试验所用碟簧的力-变形曲线在中间段接近线性，碟簧刚度范围为1250-1400N/mm。

图4为带预紧力力-变形曲线，从图4中可以看出，力-变形曲线分为两个线性段，其中在调节机构推进的初始阶段，变形小，刚度大，可视为材料本身的变形，计算其刚度为14300N/mm;在300N后，变形大，刚度小，计算其刚度为1420N/mm，与碟簧刚度基本一致，表明300N即为施加的预紧力大小。

3  预紧力试验验证

为了找出压电执行器所需的合理预紧力，进行不同预紧力下静态和动态位移测试。通过不同刚度的碟簧和调整垫片施加预紧力，并通过上述方法测岀预紧力的大小。本文中使用的样品为某尺寸5×5×35规格压电执行器。

3.1 静态位移测试

如图5所示，为相同电压下，不同预紧力下的静态位移曲线。预紧力不同，压电执行器的静态位移滞回曲线的趋势相似。其中，预紧力300N时静态位移量输出与无预载的状态下表现相近，此后，随着预紧力的增加，最大位移输岀量下降。由此可见，对于材料一定的某尺寸执行器，驱动能力一定，过大的载荷会造成输出位移的下降。在同样的驱动能力下，由于预紧力过大，使得压电执行器的有效输出力减小，可产生的位移输出量减小。

3.2 动态位移测试

如图6所示，为同一驱动电压下，不同预紧力下的动态位移。由图6可以看出，300N时位移为35um，随着预紧力的增加，执行器动态位移输出量呈迅速减小趋势。由此可见，过大的预紧力会降低执行器的动态位移输出。同时考虑到执行器工作中拉应力的影响，因在不影响位移输岀的情况下，尽可能选取大的预紧力。本文中预紧力应选取300N较为合适。

3.3 可靠性测试

为了验证得到的300N预紧力的合理性，对该压电执行器样品进行可靠性试验。根据某发动机转速3600rpm， 1000小时可靠性试验，共计需动作1.08亿次。

计算得输出位移量为34.6um，与初始位移35um基本一致。表明该压电执行器在300N预紧力下，可满足可靠性要求。

4  结束语

本文设计了一种预紧力测试装置，测试了压电执行器部件预紧力大小。通过不同预紧力大小的静态和动态位移测试，得到最大预紧力为300N时，可保证压电执行器位移输出特性。对压电执行器样品进行1亿次可靠性试验，并顺利通过，验证了在该预紧力大小下，压电执行器的可靠性。通过确定合理预紧力大小，保证了压电执行器的输出特性和可靠性，为压电执行器的设计提供参考依据。

参考文献：

[1]郝刚，苏海峰，罗旭，等.压电堆执行器有限元仿真[J].车用发动机，2010（4）：23-27.

[2]臧娈，庄福如，吴小勇.压电式共轨喷油器执行器性能研究[J].现代車用动力，2012（2）：33-36.

[3]赵允昊，韩振南.基于ANSYS的压电堆执行器仿真分析[J].设计·计算·研究，2013（2）：23-25.