叠层型压电驱动器的应用研究

《叠层型压电驱动器的应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、叠层型压电驱动器的应用研究鄢珂，胡敏强，金龙，徐志科(东南大学，江苏南京210096)摘要：最新一代燃油喷射系统的核心部件喷油器采用了压电驱动机构来代替传统的电磁式驱动机构。压电陶瓷利用逆压电效应可以得到精确的微位移量，其用作执行器可以用于燃油阀的驱动。介绍了叠层型压电驱动器的性能特性。并基于正交三角放大原理设计了一种微位移放大机构，使其将叠层型压电微位移器的位移量放大，并对其进行性能实验。实验结果表明，驱动器各项指标均达到设计要求，证明了设计理论的正确性。关键词：压电驱动；位移放大；燃油喷射0前言节能与环保是当今世界的两大难题。在车用内燃机中领域，相比汽油发动机而言，

2、技术含量更高、设计更复杂的柴油机已逐步由电控系统替代了传统的机械式系统，并向高压共轨系统发展。新型的柴油机以其优越的燃油经济性和动力输出性越来越受到人们的青睐，已成为未来内燃机发展的方向之一。另一方面排放法规也越来越严格。我国加入WTO后对汽车柴油机排放法规也越来越完善。我国在2001年才在一些局部地区执行欧1排放标准，在2004年执行欧2标准，从2007年7月1日起在全国范围内实行国3排放标准。越来越严格的法规也推动了内燃机技术向更高的层次飞速发展。性能表现、经济性、低的排放和一个平稳的发动机启动是内燃机技术的关键。所有这些解决的办法在于燃烧过程的柔性控制。为了达到燃

3、料．空气混合最适宜的效率和低排放的燃烧，柴油机燃料必须在最大的压力下在最有利的时刻被精确地量化喷射到燃烧室内。随着燃油喷射压力的逐步升高，如何开发出新的喷油器利用高压来达到更好的喷射效果成了研究的热点。传统的电磁阀中电磁响应时间太长，已经不能足够快速的对发动机电控系统的控制信号产生响应来完成喷射过程‘1捌。压电微位移驱动器以其体积小、线形度好、输出力大、分辨率高、易于控制等优点，成为微机电领域新的热点㈣。压电驱动器控制的开关阀具有极快的响应速度和极强的可控性使更加柔性的控制成为可能，能达到多次喷射和更加先进的喷射曲线控制，因此压电式喷油器逐步取代了传统的电磁式喷油器成为

4、新的发展方向。叠层型压电驱动器可以直接用于微位移驱动，其驱动力大，但驱动位移较小。也可以设计位移放大机构来放大叠层型压电驱动器的位移，用于驱动喷油器的开关阀。近年来，国内外学者提出了很多种基于叠层型压电驱动器的位移放大机构的设计，大致分为杠杆放大、三角放大、压曲放大、柔性铰链等【5一。K．Uchino等外国学者提出的Moonies、Cymbals等位移放大方案，采用了对称结构，压电叠层的位移形变方向与输出形变方向垂直正交，在位移放大的同时，能得到很大的输出力【船12】。法国学者也有类似的研究(13】。．174．压电赜油器的结构及工作原理no扯!臻油器的开拉枉旧外也I{刚

5、【ij

6、j起步；Bosch、Siemenh麓围外箭¨童匈{制拇Ⅲ撰似的，一^l，其基奉f诉臆胖相，簋1_)

7、j小』、‘～在此以甍嘴l灿#或j、毕的5样燃晓蝌f究所汁段{n种秉刚出，jh层叠压}乜执行嚣的莱性接轨磺汕器为捌，如剖I所小．柬舟纠F脏电喷jl自；：{{；的结构及H蜒奉f作豫捌”】。这种喷油嚣通过对纠lf_【j‘燕施H接牲铜j旧为喷射捌律ii“线彤状的优化提供r璺好的刚出度。其优r量的决定性意丑在丁喷油晰针阀的丌撑和训起速艘可以⋯m墼样，它能蛮现小r1mP的微鼋喷射，叉能以町靠町重现的方式实现多重喷剩在返种喷油l措rh一个压电执行嚣通过压力销直接怍辩j于喷油嘴的

8、针阀L，出于

9、：『i_工工艺的原因，燃油的高压接头和溢油接头都安置在喷油器外壳下体上。压电执行器通过喷油器外壳上体的校正装置得到校碰。踊l压电喷油器的剖洲I哥2压电驱动器昀特性压电陶瓷利用遵压电效应．将电能直接转化成机械能。这种机电耦台关系可用压电方程表述为M’”：眇)=嘲5(T)+Ⅲ{E}⋯}{D}=㈣{r}+时㈣⋯式中，{T1、IS}分别是压电弹性体的应力、应变向量；lD}、(E}分别是压电体的电位移和电场强度向景；【d)是压电应变常数矩阵：【e】’是零应力(或常应力)状态下的介电常数矩阵；[s严是无外电场f或瓶定电场j状占F的弹干牛莱顺矩阵：fd】1是矩阵【d]的

10、转置矩阵。般压电材料的压电应变系数dt，都很小，大约为(300～700l×Io。2m／V，采蹦单个压电体，输出位移有阻‘为丁在鞍~匠的电压F获得较大的变形篮，执干J_嚣必颁采取多筐替“式结构，将㈣乜陶瓷一¨片髓起柬，最取机械jj串联、电学¨}联的乃』℃’H成』_Ii}乜陶畿矧件，f【盯酬2所小；【{趣it宅ih，【U场指州授化方⋯斌会导致每个陶瓷片壹厚，蚀整十{J、电叠鹱伸托选川鞍薄的脏电片．鞍多的』i、I乜片数以殷较大的H、lH门面积，订刊j‘减小驱动}U压，提高{五电穗堪驰动器位移输}}j麓和改善力学特性出n"L伺、物理参数相同的压电