基于液压微位移放大机构的压电陶瓷执行器的设计.pdf

2 0 1 1 年 3月 第 3 9卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI C S Ma L 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 2 9 基于液压微位移放大机构 的压电陶瓷执行器的设计 李万全 ，高长银 ，冯地耘 1 ．重庆三峡 学院，重庆 4 0 4 0 0 0 ；2 ．郑州航 空工业管理学院 ，河南郑州 4 5 0 0 1 5 摘要对压电陶瓷叠堆驱动位移放大器进行研究。设计了可满足高压共轨喷射系统使用要求的压电执行器模块 ，同时 设计了一个基于液压传动原理的微位移放大机构，该机构由一个位移放大腔和两个活塞组成 ，放大腔底部的活塞用来放大 和传递顶部活塞的位移。试验结果表明，基于液压微位移放大原理的压电执行器可满足共轨系统位移放大的要求。 关键 词 液压放大机构 ；微位移 ；压电叠堆 中图分类 号T K 4 2 1 文献标识码 A 文章编号 I D 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 50 8 8 2 D e s i g n O H P i e z o e l e c t r i c A c t u a t o r B a s e d O i l Hy d r a u l i c Mi c r o - d i s a c e me n t A mi f y i n g Mech a n i s m L I W a n q u a n ，GA0 Ch a n g y i n ，F ENG Di y u n 1 ． C h o n g q i n g T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 4 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． Z h e n g z h o u I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l I n d u s t Ma n a g e m e n t ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 1 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e me t h o d t o a mp l if y t h e d i s p l a c e me n t o f s t a c k t y p e p i e z o e l e c tr i c c e r a mi c a c t u a t o r Wa S s t u d i e d ．A p i e z oe l e c t r i c a c t u a t o r mo d u l e t h a t c o u l d b e u s i n g i n h i g h p r e s s u r e c o m m o n r a i l i n j e c t i o n s y s t e m w a s d e s i g n e d ．A n e w m i c r o d i s p l a c e me n t a m p l i i n g me c h a n i s m w a s p r e s e n t e d b a s e d o n h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n t h e o r y ． T h e me c h a n i s m i n c l u d e d a d i s p l a c e me n t a mp l i f y i n g c h a mb e r a n d t wo p i s t o n s ． T h e p i s t o n a t t h e b o t t o m o f t h e a mp l i f y i n g c h a mb e r Was u s e d t o am p l i f y an d t r an s mi t t h e d i s p l a c e me n t o f t h e u p p e r p i s t o n ．T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h i s t y p e o f p i e z o e l e c t ri c h y b rid a c t u a t o r C an g e n e r a t e a l o n g d i s p l a c e me n t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c a mp l i f y i n g me c h a n i s m ； Ma c r o d i s p l a c e me n t ；P i e z o e l e c t ri c s t a c k 自从柴油机面世 以来 ，由于柴油机的燃料经济性 优于汽油机 ，在工业领域得 到广泛应用 。但 由于柴油 机加速性能较差 、工作粗暴 、噪声大 、废气排放物 中 微粒较 多 ，通常只应用于载货汽车和客车上 ，轿车较 少采用 。近年来 ，随着汽车工业的发展 和环境 问题的 日益严重 ，各国制定 的汽车尾气排放 的法规也 日益严 格，传统柴油机泵 一 管 一 嘴系统所能产生的最高喷射 压力有限，而且喷射压力随转速的降低而降低，导致 低速时油气混合质量差 、排放恶化 ，迫使人们寻求一 种新型喷油系统 ，柴 油机共轨 喷射 技术就 应运而生 。 压电式共轨喷射系统 由于响应时间短 、驱动力大 、燃 油喷射量控制精确得到迅猛发展 ，已成为柴油机研 究领域的核 心课题 。在压电式共轨喷射系统中 ，压 电 晶体控制阀是喷油器 的关键执行 器件 。 压电陶瓷具有体积小、质量小、精度和分辨率 高、频响高、功耗低、输出力大等优点 ，已成为 当前共轨驱 动器的主要执行元件 。但是 由于压 电陶瓷 叠堆的最大输出位移小，大约为其长度的 1 ／ 1 0 0 0左 右 ，不能满足共轨喷油器的使用要求，必须利用位 移放大机构对压电叠堆的输出位移进行放大。目前， 压电叠堆驱动 的放大机构基本都采用柔性铰链原理进 行设计 ，主要依靠柔性 铰链 的变形产生运动 ，但是 由于喷油嘴内部用于安装位移放大器 的空间很小 ，要 求柔性铰链 的放大机构体积小 、结构紧凑 ，放大倍数 受到很大限制 ，同时柔 性铰链 的变形 过程要 吸 收能 量，产生大量的热能，喷油嘴的功耗增加较大，故作 者采用液压传动原理进 行位移放大器的设计工作 。 1 压电叠堆原理 1 ． 1 压 电叠堆技 术 的基本 原理 压 电晶体的特性是在压力作用下会产生 晶格变形 输出电压 ，称为压 电效应 。压 电效应具 有逆反 功能 ， 即向压电晶体施加电压会产生相应的晶格变形，压电 晶体产生相应的位移。压电晶体的逆压电效应，就是 压 电执行器 工作 的基本 原理 。对 压 电执行 器施 加 电 压 ，其输 出位移遵循基本压电方程 s d 3 3 E 1 式 中S 为压电晶体应 变 ，E为电场强度 ，d 为压 电 应变常数 。 P Z T压 电陶瓷材 料 的 d 一般 为 5 0 0～ 6 0 0 1 0 r n ／ V，必须提供很高的驱动电压才能产生微量 的位移 ，为克服这一缺点采用多层结构。压电叠堆 的 伸长量与厚度无关，与驱动电压成正比，为所有压电 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 1 基金项目重庆市教委科学技术研究项 目 K J 0 8 1 1 1 7 ；重庆市教委自然科学基金项目 K J 1 0 1 1 0 9 作者简介 李万全 1 9 6 8 一 ，男 ，博士 ，副教授 ，主要研究方 向为传感测控技术。电话 1 3 2 5 1 1 3 7 3 2 2 ，E m a i l g i n g k o t r e e 1 6 3． c o no 第 5期 李 万全 等 基于液压微位移放大机构的压 电陶瓷执行器 的设计 8 9 器模块到外表面之间的电压过渡。这对于表面粗糙易 于出现电压击穿 的执行器模块尤为重要 。同时 ，多孔 填充材 料还起 到固定执行器模块 的作用 。试验采用 的 填充材料 主要 由碳酸氢钠烧结而成 ，碳酸氢钠 固体在 烧结过程 中分解生成碳酸钠 、二氧化碳和水 ，形 成多 孔性碳酸钙整体结构 。烧结完毕的执行器模块 浸入 黏 度低、介电性能高的变压器油中，使空隙中充满变压 器油，可大大提高烧结材料的散热性能和绝缘性能。 为圆 墨 项 盖 为 圆 柱 形 ， 顶 部 开 口 。 以 便 f] }I E 三 一 【J 装入压电叠堆执行器模块。 H 目4 塑 料 套 筒 内部接有两根外接电极， 通 l1 匡三 三 ] 外 接电 极 过导线与执行 器模 块外 电极 连 接 ， 驱 动 电 源 通 过 外 接 电 5 填 充 材 料 极向压电叠堆提供驱动电 卜 三 三 卅压 电 叠 堆 压， 底部开有7 IT l／ n 7 m m 0 三 三 内 电 极 方 孔 ， 执 行 器 模 块 底 部 从 套}] ， 二H 外 电 极 简 中 伸 出 。上部 用 留有 电极～ 孔的顶板 封闭 。图 2为 带有 图2 压电执行器 塑料 套 的 执 行 器 单 元 结 构 单兀结构图 图。 2 液压位移放大器设计 液压位移放大器主要 由一个液压室和两个直径不 度不够 ，液压 油 有微 量 泄 图4 液压放大器位 漏 。测试结果如 图 4所示 。 移输出特性 3结论 作者研究一种压 电叠堆驱 动的液压放大器 ，依据 共轨喷射的实际工作条件设计压电执行器单元，并利 用液压位移放大原理对压电执行器输出位移进行放大 ， 该放大器可满足柴油机共轨喷射系统的工作要求。 参考文献 【 1 】 庄福如， 潘铁政， 吴小勇， 等． 柴油机共轨压电晶体喷油器 及驱动电路研究[ J ] ． 现代车用动力， 2 0 0 8 3 1 1 1 6 ． 【 2 】 苏瑜， 周文华， 庄福如， 等． 高压共轨柴油机压电喷油器 的驱动响应 特性 [ J ] ． 江南大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 9 2 3 3 5 3 3 8 ． 【 3 】马记 ， 吴月华， 徐曼 ， 等． 基于压电陶瓷驱动的腹腔手术 微型机器人关节驱动部件研究[ J ] ． 机器人， 2 0 0 3 3 3 3533 8． 【 4 】Ma Ha o q u a n ， H u D e j i n ， Z h a n g K a i ． Mi c r o d i s p l a c e m e n t a m ． p l i f y i n g m e c h a n i s m d r i v e n b y p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r [ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 4 1 7 579． 【 5 】于靖军 ， 毕树生， 宗光华． 全柔性微位移放大机构的设计 技术研究[ J ] ． 航空学报 ， 2 0 0 4 1 7 4 7 8 ． 【 6 】 程光明， 沈传亮， 杨志刚． 压电驱动型电液伺服阀前置级 驱动器实验研究[ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 0 4 1 4 3 46