一种用压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器

摘要

本发明提出了一种用压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器。主要包括：剪切型压电元件和框架。框架可以与剪切型压电元件固定，框架使得剪切型压电元件与框架连接后结构整体轮廓是弹簧状的。剪切型压电元件产生剪切变形后，弹簧状的形状导致变形累加放大，导致弹簧状压电致动器出现大的变形。能保证最终的致动器是弹簧形状的前提下，压电元件的形状可以任意，相应地框架形状也任意。最终的弹簧的形状也可以任意，只要可称之为弹簧即可。上述方案剪切型压电元件有50％及以上体积上的剪切变形方向与本弹簧不加电时发生变形后在该处的主应变的方向的夹角小于40°时，即为本专利所述致动器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电致动器，尤其是指一种用压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器，能够实现大行程位移，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

致动器通过对负载施加可控的拉或压力，实现对负载的速度、位移和力的控制。广泛应用于航空、航天和车辆等工程领域。压电材料由于其独特的电场-变形效应在致动器领域中发挥着重要的作用。然而虽然其输出力可以很大，但是由于允许应变较小，存在运动范围很小的缺点。比如有的压电致动器，最大输出力已经高达50吨，但是仅能实现毫米级的运动。

弹簧作为一种具有优良的减震和储能功能的机械零件，在生产生活的各个领域应用广泛。其特点是，弹簧能在较小的自身长度下获得很大的变形，并且变形和原长的比值远大于弹簧丝本身材料的应变。这种变形放大能力如果与压电材料结合，则能产生一种有大行程的压电致动器。

本发明综合螺旋结构和压电材料各自的优势，用逆压电效应下压电材料发生的切应变形，经弹簧结构进行放大，而设计了一种压电产生剪切变形的弹簧形式致动器，预期其不仅具有能上百倍地放大原本自身尺寸下千分之一的形变，也能保持数吨至十数吨的输出力。相比现有压电元件，极大地提高了运动行程。然后提出了用压电弹簧致动器获得大行程的方法。

发明内容

本发明的目的是：提出一种用压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器。

本发明提供的技术方案是：一种用压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器主要包括：剪切型压电元件和框架。框架可以与剪切型压电元件通过粘接接合、过盈配合等方式固定，剪切型压电元件与框架连接后的结构整体轮廓是弹簧状的。剪切型压电元件产生剪切变形后，弹簧状的形状导致变形累加放大，导致弹簧状压电致动器出现大的变形。

选择地，剪切型压电元件包含压电材料和电极等，剪切型压电元件形状可以任意，如圆柱、斜圆柱、多棱柱、斜棱柱、弯柱等柱形或者盘形、空心柱形或空心环形等形状；

选择地，框架形状要求是能与剪切致动器配合，即可以传递、积累、转换或放大剪切致动器的剪切形变，剪切型压电元件与框架连接后的整体结构轮廓是弹簧状，框架的具体形状任意，如横截面可以为圆形、椭圆形、长圆形、卵形或多边形等形状；

选择地，该剪切型压电元件与框架连接后的整体结构轮廓与可称作弹簧的结构大概相同，弹簧形状可以任意，如等节距圆柱螺旋弹簧、不等节距圆柱螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧、中凹形螺旋弹簧、中凸形螺旋弹簧、组合螺旋弹簧等形状；

选择地，该剪切型压电元件所使用的压电材料可以为压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)和压电复合材料中的一种或者两种以上的组合物。框架所使用的材料可以为金属材料、塑料等聚合物材料。

具体地，当剪切型压电元件有50％及以上体积上的剪切变形方向与本弹簧不加电时发生变形后在该处的主应变的方向的夹角小于40°时，即为本发明所述剪切型压电元件。

弹簧形状的压电致动器原理如下：正压电效应指对压电材料施加外部机械力之后，其内部将在力的作用下出现形变并且会在相对的两个表面上分别产生等量的正负电荷，即材料会发生电极化。逆压电效应是指施加电压后压电材料产生对应形变。因此可以通过控制压电材料上电极的电压大小和变化频率实现压电致动器的载荷主动控制。当电极所施加的电压方向与压电材料的极化方向不一致时，压电材料会产生剪切变形，即压电材料会发生与电压方向垂直的横向位移。弹簧变形过程中，弹簧丝可以用梁模型来分析，梁可产生轴向、弯曲和扭转变形。弹簧变形过程中不同圈上弹簧丝的螺旋线升角相同，表明弹簧丝弯曲变形很小。弹簧丝拉压刚度明显高于扭转刚度，所以，弹簧丝拉压变形很小。所以，弹簧发生拉压变形时，弹簧丝上的主要变形是剪切变形，图1给出弹簧丝表面的剪切变形的方向。逆向思维，则如果压电材料能让弹簧丝产生图1所示剪切变形，则弹簧可以产生拉压变形。日常生活中的金属弹簧变形很大，比如伸长量能够等于或大于原长，但是金属丝的变形在弹性范围内，应变小于1％，这表明弹簧能达到100倍的变形放大。那么压电材料如果有0.1％的许用应变，则可以预知压电陶瓷弹簧也能有10％的变形，这个变形远大于一般压电致动器相对于自身尺寸的0.1％变形位移。

所以本发明原理是，用压电元件在弹簧丝上产生剪切变形，弹簧结构的弹簧丝去掉压电元件占据的体积，剩下的是框架部分。也就是说压电元件和框架共同组成弹簧丝，这时的弹簧即为弹簧状压电致动器。压电元件作为弹簧丝的一段或镶嵌在弹簧丝中，压电元件占弹簧总体积为0％到100％之间。只要整体是弹簧形状，压电元件形状可以任意变化，框架形状也可以任意变化。弹簧可以是等节距圆截面圆柱螺旋弹簧，可以是截锥螺旋弹簧、中凹形螺旋弹簧、中凸形螺旋弹簧、组合螺旋弹簧等，可以是不等节距螺旋弹簧，可以是非圆形螺旋弹簧，可以是矩形截面螺旋弹簧、扁截面螺旋弹簧、中空截面螺旋弹簧等。只要剪切型压电元件有50％及以上体积上的剪切变形方向与本弹簧不加电时发生变形后在该处的主应变的方向的夹角小于40°时，即为本发明所述致动器。

本发明的优点及有益效果在于：

(1)本发明的基于压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器，其通过设置压电元件上电极电压，基于压电材料的逆压电效应来产生剪切变形，再将压电元件的剪切变形转化为弹簧结构压电致动器的轴向位移，完成致动器的力或位移输出，有效提升了致动器的行程距离，实现了致动器的大行程控制；

(2)本发明的基于压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器，其通过调整压电元件和框架的形状和大小，可以自由设计与组装不同尺寸与大小的弹簧形状，从而实现了弹簧整体的刚度系数调节，且通过改变压电元件电极相对螺旋线的切向角度，可对应改变致动器的行程距离，有效提升了致动器的行程可控性和兼容性；

(3)本发明的基于压电元件剪切变形产生簧丝扭转变形的弹簧状致动器，其结构为弹簧形式，在不进行主动控制的情况下，仍然具有一定的隔振、缓冲和储能等效果，对于主动隔振等领域具备理想的工作性能，具有较好的推广应用价值。

附图说明

图1为弹簧丝表面的剪切变形的方向示意图。

图2(a)—2(g)为压电产生弹簧丝扭转变形的等节距中空圆截面圆柱螺旋弹簧形状压电致动器1。

图3(a)—3(d)为压电产生弹簧丝扭转变形的等节距中空圆截面圆柱螺旋弹簧形状压电致动器2。

图4(a)—4(c)为压电产生弹簧丝扭转变形的等节距中空圆截面圆柱螺旋弹簧形状压电致动器3。

图5(a)—5(i)为多种形状的螺旋弹簧形状压电致动器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

根据弹簧力学理论可知，弹簧在承受轴向载荷时弹簧丝的变形主要有三种：1)轴向载荷会在弹簧丝上产生弯矩，弯矩使弹簧丝发生弯曲变形；2)轴向载荷会在弹簧丝上产生扭矩，扭矩使弹簧丝发生扭转变形；3)轴向载荷是弹簧丝承受的剪力，会使弹簧丝发生剪切变形。这三种变形共同引起弹簧沿轴向的伸长。采用材料力学理论进行分析后可知，当弹簧螺旋角较小时，弹簧丝的扭转变形引起的弹簧伸长远大于弯曲变形和剪切变形引起的弹簧沿轴向的伸长，也就是说弹簧丝的扭转变形是弹簧伸缩引起的主要变形。材料力学中将扭转变形描述为平面内的周向剪切变形，因此本发明通过在压电元件电极上施加电压，通过逆压电效应产生剪切变形，模拟普通弹簧受载荷而发生的材料形变，从而使得弹簧状致动器产生类似弹簧受外载荷所发生的位移形变。本发明的弹簧状致动器中的电极负责输出电压，压电元件负责产生剪切变形，模拟弹簧受外载荷时内部材料的形变，框架负责固定压电元件和整合各个压电元件的变形为周向变形，模拟弹簧丝的扭转变形，从而使得整体的弹簧致动器会在压电元件施加电压时出现轴向位移，完成致动器的力或位移输出。而压电元件电极相对螺旋线的切向角度直接决定了弹簧状致动器模拟弹簧丝表面的剪切变形的效果，当剪切型压电元件有50％及以上体积上的剪切变形方向与本弹簧不加电时发生变形后在该处的主应变的方向的夹角小于40°时，致动器的位移和力的输出效果较好，当方向完全一致时，效果最好。

当弹簧的整体形状和弹簧丝的横截面形状确定之后，将设计的额定电压作为压电元件的耐受电压，根据压电材料的性能便可以推算出压电材料的最小厚度，从而确定一圈中压电元件的数目和压电元件的形状，弹簧结构的弹簧丝去掉压电元件占据的体积后剩下的就是框架部分，从而确定了框架的形状和大小。而弹簧的刚度系数与材料的切变模量、弹簧中径和弹簧丝直径有关，通常在进行弹簧状压电致动器设计时，当压电元件和框架材料都在弹性变形时，框架材料的剪切模量越大，致动器的位移输出越小，力输出越大；当压电元件的剪切变形越大，致动器的位移输出越大，力输出越大。因此在进行实际设计的时候，需要先确定致动器的应用场景对弹簧尺寸的限制，再根据致动器输出力和位移的要求得到所需刚度系数，选择压电元件和框架的材料，最后依据额定电压确定压电元件和框架的形状和大小，从而得到符合设计要求的弹簧状压电致动器。

具体实施：

本发明一种具有长方体压电元件和螺旋空心框架的弹簧形状致动器方案，包括：压电元件和框架。压电元件如图2(a)所示，可以发生剪切变形，如图2(a)中点线所示。框架为组合式，扇形块(如图2(b)所示)和楔形块(如图2(c)所示)两部分组成一个框架单元(如图2(d)所示)，多个框架单元首尾相连，组合成整个框架，如图2(e)所示。每个框架单元中10个扇形块之间可以安装10个压电元件形成压电单元(如图2(f)所示)，压电单元首尾相连形成弹簧形状致动器(如图2(g)所示)。上述方案剪切型压电元件有50％及以上体积上的剪切变形方向与本弹簧不加电时发生变形后在该处的主应变的方向的夹角小于40°。

实施方式的第一种变化：

实施方式1中的压电元件形状可以任意变化，比如圆柱形、三棱柱形等，压电元件变化后与之相连的框架也相应变化，如：压电元件变成半扇形(如图3(a)所示)，压电元件剪切变形方向为如图3(a)中虚线所示，则框架变为楔形块(如图3(b)所示)，整个致动器依然是弹簧状(如图3(d)所示)。或者，压电元件变为半楔形(如图4(a)所示)，压电元件剪切变形方向为图中虚线所示，则框架体积为零，由压电元件直接组成弹簧形状的致动器(如图4(c)所示)。当剪切型压电元件有50％及以上体积上的剪切变形方向与本弹簧不加电时发生变形后在该处的主应变的方向的夹角小于40°时，即为本实施方式范围。

实施方式的第二种变化：

最终形成的弹簧形状致动器可以是：圆截面圆柱螺旋弹簧(如图5(a)所示)、截锥螺旋弹簧(如图5(b)所示)、中凹形螺旋弹簧(如图5(c)所示)、中凸形螺旋弹簧(如图5(d)所示)、组合螺旋弹簧(如图5(e)所示)、不等节距螺旋弹簧(如图5(f)所示)、非圆形螺旋弹簧(如图5(g)所示)、矩形截面螺旋弹簧(如图5(h)所示)或扁截面螺旋弹簧(如图5(i)所示)。包括但不限于，改变弹簧丝横截面形状，变弹簧丝横截面形状，圆形或非圆形，不同节距，不同中径。

接下来通过一个具体设计实例的参数对本发明的技术方案做进一步的说明。

压电元件采用NAC2402-H1.7压电剪切叠堆片，尺寸为5×5×1.7mm，无负载谐振频率为520kHz，工作电压为0-320V，工作行程为0-1.5um，最大工作负载为125N。框架采用8200树脂由3D打印技术制作而成，材料的弹性模量为2.65GPa，泊松比为0.42，密度为1150kg/m