一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器，其包括圓筒狀外殼、上蓋、圓錐臺形壓塊、壓簧、輸出桿、超磁致伸縮管和線圈。本發明能夠充分發揮超磁致伸縮材料輸出力大、輸出位移大、居里溫度高和能量轉換效率高的優良特性；本發明可以實現球閥快速、穩定地開啟或關閉，進而能夠有效地控制噴油器的噴油和停噴；本發明中沒有添加偏置磁場，可以使超磁致伸縮管實現最大的伸長量；本發明可提高致動器的電能利用率，并可以避免超磁致伸縮致動器工作時撞擊到球閥的球套。
【專利說明】
一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器
技術領域
[0001]本發明屬于高壓共軌噴油器中球閥驅動技術領域，涉及一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器。【背景技術】
[0002]超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material)是一種應用較為廣泛的智能材料，具有磁致伸縮、逆磁致伸縮、扭轉和跳躍等物理效應。與壓電材料和傳統的磁致伸縮材料相比，超磁致伸縮材料具有更高的能量密度和磁機耦合系數，在室溫下能實現更大的磁致伸縮應變和輸出力，而且超磁致伸縮材料的居里溫度和抗壓強度均較高，工作性能也更加穩定。因此，超磁致伸縮材料在磁場檢測、超精密加工、減振降噪和流體器件驅動等方面具有較為廣泛的應用。
[0003]高壓共軌噴油器是發動機高壓共軌燃油噴射系統的關鍵部件。高壓共軌噴油器為帶控制腔的常閉式噴油器，控制腔由致動器驅動球閥的開啟或關閉來進行控制。市場上成熟的致動器有電磁式和壓電式兩種，但由于電磁式致動器響應速度提升有限，壓電式致動器需要較高的驅動電壓等因素，兩種形式的致動器在提升噴油器性能方面存在瓶頸。因此部分學者開發了采用超磁致伸縮致動器驅動球閥的高壓共軌噴油器。
[0004]采用超磁致伸縮致動器驅動高壓共軌噴油器能夠繼承超磁致伸縮材料的優良特性，對精確控制噴油器的噴油量十分有效。然而對于當前棒式超磁致伸縮的致動器，由于超磁致伸縮材料在通入任意方向的電信號時都會伸長，導致通電后致動器輸出桿下行，這與常閉式噴油器需要的位移輸出方向相反。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種能實現通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器。
[0006]為解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器，其包括圓筒狀外殼、上蓋、圓錐臺形壓塊、壓簧、輸出桿、超磁致伸縮管和線圈；所述圓筒狀外殼的上端部設有外螺紋，其底面上設有兩層圓環形階梯臺階，在圓環形階梯臺階的底面設有第一中心孔，所述第一中心孔的直徑大于所述輸出桿的直徑;所述兩層圓環形階梯臺階與球閥閥座相適配；所述上蓋的下端部設有內螺紋，其頂面設有第二中心孔;所述上蓋與所述圓筒狀外殼螺紋連接；所述圓錐臺形壓塊設有兩個軸向導線孔；所述輸出桿的頂端設有圓形受力平臺，其下端設有變徑桿；所述輸出桿、超磁致伸縮管、線圈依次由內向外同軸套裝在圓筒狀外殼內；所述輸出桿與超磁致伸縮管之間、超磁致伸縮管與線圈之間、線圈與圓筒狀外殼之間均為間隙配合;所述輸出桿伸出第一中心孔，所述變徑桿與球閥中嵌套鋼球的球套接觸，所述圓形受力平臺的底面與超磁致伸縮管的上端面相接觸;所述圓錐臺形壓塊的圓錐面與所述第二中心孔為圓形線接觸;所述壓簧位于所述圓形受力平臺與圓錐臺形壓塊之間。
[0007]所述線圈的高度大于所述超磁致伸縮管的高度。
[0008]所述圓形受力平臺的外徑與所述超磁致伸縮管的外徑相等。
[0009]本發明的有益效果是:本發明能夠充分發揮超磁致伸縮材料輸出力大、輸出位移大、居里溫度高和能量轉換效率高的優良特性;本發明可以實現球閥快速、穩定地開啟或關閉，進而能夠有效地控制噴油器的噴油和停噴;本發明中沒有添加偏置磁場，可以使超磁致伸縮管實現最大的伸長量;本發明可提高致動器的電能利用率;超磁致伸縮材料加工成管形式，而且輸出桿設計為“T”型階梯桿，這兩個設計能夠將超磁致伸縮管的伸長轉化為輸出桿的上提，表現為整個致動器尺寸的縮短，這樣可以避免超磁致伸縮致動器工作時撞擊到球閥的球套。【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的結構示意圖。
[0011]圖2為圖1的A-A剖視圖。
[0012]在圖1-2中，1、上蓋，1-1、第二中心孔，2、圓錐臺形壓塊，2-1、導線孔，3、壓簧，4、輸出桿，4-1、圓形受力平臺，4-2、變徑桿，5、線圈，6、超磁致伸縮管，7、圓筒狀外殼，7-1、兩層圓環形階梯臺階，7-2、第一中心孔。【具體實施方式】
[0013]下面根據圖1-2和實施例對本發明做詳細說明。
[0014]由圖1可知，本實施例包括圓筒狀外殼7、上蓋1、圓錐臺形壓塊2、壓簧3、輸出桿4、 超磁致伸縮管6和線圈5;輸出桿4為兩層階梯桿形式，上端承受壓簧3的彈簧力，下端承受超磁致伸縮管6的磁致伸縮驅動力；超磁致伸縮材料形狀為圓管形，圓筒狀外殼7為兩層階梯形式;通入方波電流后，超磁致伸縮管6輸出磁致伸縮驅動力，克服壓簧3的彈簧力，實現輸出桿4上行，斷電后， 磁致伸縮驅動力消失，彈簧力壓輸出桿4下行回位。
[0015]借助超磁致伸縮材料的伸縮特性，超磁致伸縮管6具備直線輸出能力。通電后，超磁致伸縮管6輸出的驅動力比壓簧的彈簧力要大，能夠推輸出桿上行;斷電后，超磁致伸縮管6輸出的驅動力減小至0,壓簧3將輸出桿4壓至原位置。[〇〇16]超磁致伸縮管6需要線圈5提供磁場，由于線圈5端部的磁場較中間部位要發散，為保證超磁致伸縮管6上的磁場強度均勻，線圈5長度應大于超磁致伸縮管6的長度。
[0017]本發明用于控制高壓共軌噴油器中的球閥，圓筒狀外殼7的兩層階梯形式和輸出桿4的變徑桿4-2段長度要與球閥及閥座尺寸相適配。[〇〇18]為保證正常安裝，線圈5的內直徑大于超磁致伸縮管6的外直徑，超磁致伸縮管6的內直徑大于輸出桿4的直徑，圓筒狀外殼7的第一中心孔7-2直徑大于輸出桿4的直徑。[〇〇19]線圈5中輸入的驅動波形為為24V方波電壓，方波電壓幅值可以為24V，電壓持續時間可以為3ms，通電時，超磁致伸縮管6伸長，輸出的磁致伸縮驅動力克服彈簧力，使輸出桿4 上行。在24V車載電壓輸入時，控制高壓共軌噴油器中球閥的位移要大于35wii，因此，超磁致伸縮管6在24V電壓輸入時的伸長量應大于35wii。超磁致伸縮管6長度可以為45mm，在24V電壓輸入時，本發明可輸出40wii的位移，滿足大于3 5wii的球閥位移需求。
[0020]圓錐臺形壓塊2和上蓋1之間采用圓形線接觸可以避免圓錐臺形壓塊2的徑向偏移，以減小圓錐臺形壓塊2、上蓋1和輸出桿4的軸向偏差。
[0021]通過調整圓錐臺形壓塊2和輸出桿4之間的距離可以調整壓簧3的長度，從而調整了施加在超磁致伸縮管6上的彈簧力。為保證壓簧3所受的剪應力滿足剪切強度需求，圓錐臺形壓塊2、上蓋1和輸出桿4之間的軸向偏差應小于0.1_。
[0022]所述圓筒狀外殼7的上端部設有外螺紋，上蓋1的下端部設有內螺紋，上蓋1與圓筒狀外殼7之間為螺紋連接，加工的螺紋尺寸均為M34X9,配合長度越長，圓筒狀外殼7與輸出桿4之間的距離越短，壓簧3所能提供的彈簧力越大。通過調整圓筒狀外殼7與上蓋1之間的螺紋配合長度可以調整施加在超磁致伸縮管6上的預緊力。圓錐臺形壓塊2上開有兩個軸向導線孔2-1，所述軸向導線孔2-1直徑可以為2mm，線圈5 的正極線和負極線分別穿過這兩個導線孔2-1接入驅動信號。線圈5采用銅漆包線繞制，漆包線直徑可以為1.2mm，為保證磁場強度幅值，線圈匝數可以為960;圓錐臺形壓塊2上的導線孔2-1用于引出線圈的兩個輸入線端，因此導線孔2-1的直徑應當大于線圈5中導線的直徑。
[0023]本發明用于高壓共軌噴油器中球閥的驅動，圓筒狀外殼7和輸出桿4的尺寸應與球閥的閥座配合良好。為與球閥閥座配合良好，圓筒狀外殼7的底面上設有兩層圓環形階梯臺階7-1，下層圓環形臺階的外徑小于上層圓環形臺階的外徑，下層圓環形臺階的外徑可以為 18mm，線圈5不通電時，輸出桿4露出圓筒狀外殼7的長度可以為22mm，輸出桿4的變徑桿4-2 的直徑可以為2.6_。[〇〇24]輸出桿的圓形受力平臺4-1承受磁致伸縮驅動力，其尺寸設計應滿足剪切強度需求。為保證磁致伸縮驅動力全部施加在輸出桿4上，同時節省本發明的徑向空間，輸出桿4的圓形受力平臺4-1的直徑應與超磁致伸縮管6的外直徑相等。[〇〇25]為保證超磁致伸縮致動器的正常工作，輸出桿4與超磁致伸縮管6之間、超磁致伸縮管6與線圈5之間、線圈5與圓筒狀外殼7之間均應留有間隙，所有間隙的尺寸不小于 0?2mm〇[〇〇26]為滿足安裝要求，超磁致伸縮管6內直徑可以為6mm，外直徑可以為12mm;輸出桿4 的圓形受力平臺4-1的直徑可以為12mm，輸出桿4直徑可以為4.6mm;線圈5內直徑可以為 13mm，外直徑可以為34mm;圓筒狀外殼7的第一中心孔7_2的直徑可以為5.2mm。
[0027]為了使本發明與噴油器球閥的安裝配合需求，輸出桿4與噴油器球閥接觸，輸出桿 4總長度可以為98.5mm，不通電時露出外殼7的長度可以為22mm，變徑桿4-2長度可以為5mm， 變徑桿4-2的直徑可以為2.6mm;圓筒狀外殼7的底面上兩層圓環形階梯臺階7-1的下層圓環形臺階的外徑可以為18mm。[〇〇28]將超磁致伸縮材料的伸長轉化為輸出桿的上行是本發明的關鍵環節。采用磁致伸縮管作為噴油器球閥的驅動元件，能夠充分發揮超磁致伸縮材料輸出力大、輸出位移大、居里溫度高和能量轉換效率高的優良特性;借助對輸入電流大小和方向的控制，本發明可以實現球閥快速、穩定地開啟或關閉，進而能夠有效地控制噴油器的噴油和停噴;本發明中沒有添加偏置磁場，可以使超磁致伸縮管實現最大的伸長量；只要輸入的驅動電流足夠大，超磁致伸縮管在線圈產生的驅動磁場的作用下能夠輸出最大的位移，這樣可以采用最小的致動器體積得到最大的輸出效果;壓簧采用普通圓柱彈簧，能夠為超磁致伸縮管提供預壓應力，使超磁致伸縮材料更快地達到最大位移;上蓋、圓錐臺形壓塊和圓筒狀外殼均采用磁導率較高的材料加工制造，使線圈產生的驅動磁場閉合，超磁致伸縮管上能夠分配到更多的磁場強度，可提高致動器的電能利用率;超磁致伸縮材料加工成管形式，而且輸出桿設計為 “T”型階梯桿，這兩個設計能夠將超磁致伸縮管的伸長轉化為輸出桿的上提，表現為整個致動器尺寸的縮短，這樣可以避免超磁致伸縮致動器工作時撞擊到球閥的球套。
[0029]以上所述實施方式僅為本發明的優選實施例，而并非本發明可行實施例的窮舉。 對于本領域一般技術人員而言，在不背離本發明原理和精神的前提下對其所作出的任何顯而易見的改動，都應當被認為包含在本發明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1.一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器，其特征在于:包括圓筒狀外殼 (7)、上蓋(1)、圓錐臺形壓塊(2)、壓簧(3)、輸出桿(4)、超磁致伸縮管(6)和線圈(5);所述圓筒狀外殼(7)的上端部設有外螺紋，其底面上設有兩層圓環形階梯臺階(7-1)， 在圓環形階梯臺階(7-1)的底面設有第一中心孔(7-2)，所述第一中心孔(7-2)的直徑大于 所述輸出桿(4)的直徑;所述兩層圓環形階梯臺階(7-1)與球閥閥座相適配；所述上蓋(1)的下端部設有內螺紋，其頂面設有第二中心孔(1-1);所述上蓋(1)與所述 圓筒狀外殼(7)螺紋連接；所述輸出桿(4)的頂端設有圓形受力平臺(4-1)，其下端設有變徑桿(4-2);所述輸出桿(4)、超磁致伸縮管(6)、線圈(5)依次由內向外同軸套裝在圓筒狀外殼(7) 內；所述輸出桿(4)與超磁致伸縮管(6)之間、超磁致伸縮管(6)與線圈(5)之間、線圈(5)與 圓筒狀外殼(7)之間均為間隙配合;所述輸出桿(4)伸出第一中心孔(7-2)，所述變徑桿(4-2)與球閥中嵌套鋼球的球套接觸;所述圓形受力平臺(4-1)的底面與超磁致伸縮管(6)的上 端面相接觸;所述圓錐臺形壓塊(2)的圓錐面與所述第二中心孔(1-1)為圓形線接觸;所述 壓簧(3)位于所述圓形受力平臺(4-1)與圓錐臺形壓塊(2)之間。2.根據權利要求1所述的一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器，其特征在 于:所述圓錐臺形壓塊(2)設有兩個軸向導線孔(2-1)。3.根據權利要求1所述的一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器，其特征在 于:所述線圈(5)的高度大于所述超磁致伸縮管(6)的高度。4.根據權利要求1所述的一種通電時輸出桿上行的管式超磁致伸縮致動器，其特征在 于:所述圓形受力平臺(4-1)的外徑與所述超磁致伸縮管(6)的外徑相等。
【文檔編號】H02N2/04GK105978396SQ201610303433
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】薛光明, 何忠波, 張培林, 李冬偉, 楊朝舒, 趙正龍, 周景濤, 榮策
【申請人】中國人民解放軍軍械工程學院