一种压电换能器的结构设计与拉伸式装配方法

摘要

压电换能器装配预应力直接影响产品性能。大直径压电换能器对装配预应力控制和压电陶瓷应力分布均匀性提出了更高的要求。为实现大直径压电换能器的高预紧力装配,开展了大直径压电换能器结构设计、装配方法设计和径向应力均匀化研究。首先,基于传输线方法和模态分析开展压电换能器设计,采用Morris方法进行了尺寸参数对压电换能器纵振频率、振幅比和节面位置偏差的灵敏度分析,并设计了预期性能的压电换能器;然后,根据压电换能器对预应力控制的需求,提出了一种液压拉伸式装配方法;针对拉伸装配过程中压电陶瓷组的径向应力分布不均匀问题,对拉伸装配过程中的2个关键状态进行了静应力分析,以指导压电换能器的结构改进设计;最后,设计了拉伸装配装置,并基于该装置完成了压电换能器装配试验。试验结果验证了所提拉伸式装配方法可实现预期性能的压电换能器装配。压电换能器装配后的串联谐振频率和并联谐振频率分别稳定在18.05 kHz和19.57 kHz附近,串联谐振阻抗在10Ω以内,机电耦合系数在0.34~0.36之间。研究结果为控制压电换能器装配预应力提出了新的解决思路,并为大直径压电换能器设计时如何均化陶瓷应力状况提供了解决方法。