一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器，其包括圆筒状外壳、上盖、圆锥台形压块、压簧、输出杆、超磁致伸缩管和线圈。本发明能够充分发挥超磁致伸缩材料输出力大、输出位移大、居里温度高和能量转换效率高的优良特性；本发明可以实现球阀快速、稳定地开启或关闭，进而能够有效地控制喷油器的喷油和停喷；本发明中没有添加偏置磁场，可以使超磁致伸缩管实现最大的伸长量；本发明可提高致动器的电能利用率，并可以避免超磁致伸缩致动器工作时撞击到球阀的球套。
【专利说明】
一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器
技术领域
[0001]本发明属于高压共轨喷油器中球阀驱动技术领域，涉及一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器。【背景技术】
[0002]超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material)是一种应用较为广泛的智能材料，具有磁致伸缩、逆磁致伸缩、扭转和跳跃等物理效应。与压电材料和传统的磁致伸缩材料相比，超磁致伸缩材料具有更高的能量密度和磁机耦合系数，在室温下能实现更大的磁致伸缩应变和输出力，而且超磁致伸缩材料的居里温度和抗压强度均较高，工作性能也更加稳定。因此，超磁致伸缩材料在磁场检测、超精密加工、减振降噪和流体器件驱动等方面具有较为广泛的应用。
[0003]高压共轨喷油器是发动机高压共轨燃油喷射系统的关键部件。高压共轨喷油器为带控制腔的常闭式喷油器，控制腔由致动器驱动球阀的开启或关闭来进行控制。市场上成熟的致动器有电磁式和压电式两种，但由于电磁式致动器响应速度提升有限，压电式致动器需要较高的驱动电压等因素，两种形式的致动器在提升喷油器性能方面存在瓶颈。因此部分学者开发了采用超磁致伸缩致动器驱动球阀的高压共轨喷油器。
[0004]采用超磁致伸缩致动器驱动高压共轨喷油器能够继承超磁致伸缩材料的优良特性，对精确控制喷油器的喷油量十分有效。然而对于当前棒式超磁致伸缩的致动器，由于超磁致伸缩材料在通入任意方向的电信号时都会伸长，导致通电后致动器输出杆下行，这与常闭式喷油器需要的位移输出方向相反。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器。
[0006]为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器，其包括圆筒状外壳、上盖、圆锥台形压块、压簧、输出杆、超磁致伸缩管和线圈；所述圆筒状外壳的上端部设有外螺纹，其底面上设有两层圆环形阶梯台阶，在圆环形阶梯台阶的底面设有第一中心孔，所述第一中心孔的直径大于所述输出杆的直径;所述两层圆环形阶梯台阶与球阀阀座相适配；所述上盖的下端部设有内螺纹，其顶面设有第二中心孔;所述上盖与所述圆筒状外壳螺纹连接；所述圆锥台形压块设有两个轴向导线孔；所述输出杆的顶端设有圆形受力平台，其下端设有变径杆；所述输出杆、超磁致伸缩管、线圈依次由内向外同轴套装在圆筒状外壳内；所述输出杆与超磁致伸缩管之间、超磁致伸缩管与线圈之间、线圈与圆筒状外壳之间均为间隙配合;所述输出杆伸出第一中心孔，所述变径杆与球阀中嵌套钢球的球套接触，所述圆形受力平台的底面与超磁致伸缩管的上端面相接触;所述圆锥台形压块的圆锥面与所述第二中心孔为圆形线接触;所述压簧位于所述圆形受力平台与圆锥台形压块之间。
[0007]所述线圈的高度大于所述超磁致伸缩管的高度。
[0008]所述圆形受力平台的外径与所述超磁致伸缩管的外径相等。
[0009]本发明的有益效果是:本发明能够充分发挥超磁致伸缩材料输出力大、输出位移大、居里温度高和能量转换效率高的优良特性;本发明可以实现球阀快速、稳定地开启或关闭，进而能够有效地控制喷油器的喷油和停喷;本发明中没有添加偏置磁场，可以使超磁致伸缩管实现最大的伸长量;本发明可提高致动器的电能利用率;超磁致伸缩材料加工成管形式，而且输出杆设计为“T”型阶梯杆，这两个设计能够将超磁致伸缩管的伸长转化为输出杆的上提，表现为整个致动器尺寸的缩短，这样可以避免超磁致伸缩致动器工作时撞击到球阀的球套。【附图说明】
[0010]图1为本发明的结构示意图。
[0011]图2为图1的A-A剖视图。
[0012]在图1-2中，1、上盖，1-1、第二中心孔，2、圆锥台形压块，2-1、导线孔，3、压簧，4、输出杆，4-1、圆形受力平台，4-2、变径杆，5、线圈，6、超磁致伸缩管，7、圆筒状外壳，7-1、两层圆环形阶梯台阶，7-2、第一中心孔。【具体实施方式】
[0013]下面根据图1-2和实施例对本发明做详细说明。
[0014]由图1可知，本实施例包括圆筒状外壳7、上盖1、圆锥台形压块2、压簧3、输出杆4、 超磁致伸缩管6和线圈5;输出杆4为两层阶梯杆形式，上端承受压簧3的弹簧力，下端承受超磁致伸缩管6的磁致伸缩驱动力；超磁致伸缩材料形状为圆管形，圆筒状外壳7为两层阶梯形式;通入方波电流后，超磁致伸缩管6输出磁致伸缩驱动力，克服压簧3的弹簧力，实现输出杆4上行，断电后， 磁致伸缩驱动力消失，弹簧力压输出杆4下行回位。
[0015]借助超磁致伸缩材料的伸缩特性，超磁致伸缩管6具备直线输出能力。通电后，超磁致伸缩管6输出的驱动力比压簧的弹簧力要大，能够推输出杆上行;断电后，超磁致伸缩管6输出的驱动力减小至0,压簧3将输出杆4压至原位置。[〇〇16]超磁致伸缩管6需要线圈5提供磁场，由于线圈5端部的磁场较中间部位要发散，为保证超磁致伸缩管6上的磁场强度均匀，线圈5长度应大于超磁致伸缩管6的长度。
[0017]本发明用于控制高压共轨喷油器中的球阀，圆筒状外壳7的两层阶梯形式和输出杆4的变径杆4-2段长度要与球阀及阀座尺寸相适配。[〇〇18]为保证正常安装，线圈5的内直径大于超磁致伸缩管6的外直径，超磁致伸缩管6的内直径大于输出杆4的直径，圆筒状外壳7的第一中心孔7-2直径大于输出杆4的直径。[〇〇19]线圈5中输入的驱动波形为为24V方波电压，方波电压幅值可以为24V，电压持续时间可以为3ms，通电时，超磁致伸缩管6伸长，输出的磁致伸缩驱动力克服弹簧力，使输出杆4 上行。在24V车载电压输入时，控制高压共轨喷油器中球阀的位移要大于35wii，因此，超磁致伸缩管6在24V电压输入时的伸长量应大于35wii。超磁致伸缩管6长度可以为45mm，在24V电压输入时，本发明可输出40wii的位移，满足大于3 5wii的球阀位移需求。
[0020]圆锥台形压块2和上盖1之间采用圆形线接触可以避免圆锥台形压块2的径向偏移，以减小圆锥台形压块2、上盖1和输出杆4的轴向偏差。
[0021]通过调整圆锥台形压块2和输出杆4之间的距离可以调整压簧3的长度，从而调整了施加在超磁致伸缩管6上的弹簧力。为保证压簧3所受的剪应力满足剪切强度需求，圆锥台形压块2、上盖1和输出杆4之间的轴向偏差应小于0.1_。
[0022]所述圆筒状外壳7的上端部设有外螺纹，上盖1的下端部设有内螺纹，上盖1与圆筒状外壳7之间为螺纹连接，加工的螺纹尺寸均为M34X9,配合长度越长，圆筒状外壳7与输出杆4之间的距离越短，压簧3所能提供的弹簧力越大。通过调整圆筒状外壳7与上盖1之间的螺纹配合长度可以调整施加在超磁致伸缩管6上的预紧力。圆锥台形压块2上开有两个轴向导线孔2-1，所述轴向导线孔2-1直径可以为2mm，线圈5 的正极线和负极线分别穿过这两个导线孔2-1接入驱动信号。线圈5采用铜漆包线绕制，漆包线直径可以为1.2mm，为保证磁场强度幅值，线圈匝数可以为960;圆锥台形压块2上的导线孔2-1用于引出线圈的两个输入线端，因此导线孔2-1的直径应当大于线圈5中导线的直径。
[0023]本发明用于高压共轨喷油器中球阀的驱动，圆筒状外壳7和输出杆4的尺寸应与球阀的阀座配合良好。为与球阀阀座配合良好，圆筒状外壳7的底面上设有两层圆环形阶梯台阶7-1，下层圆环形台阶的外径小于上层圆环形台阶的外径，下层圆环形台阶的外径可以为 18mm，线圈5不通电时，输出杆4露出圆筒状外壳7的长度可以为22mm，输出杆4的变径杆4-2 的直径可以为2.6_。[〇〇24]输出杆的圆形受力平台4-1承受磁致伸缩驱动力，其尺寸设计应满足剪切强度需求。为保证磁致伸缩驱动力全部施加在输出杆4上，同时节省本发明的径向空间，输出杆4的圆形受力平台4-1的直径应与超磁致伸缩管6的外直径相等。[〇〇25]为保证超磁致伸缩致动器的正常工作，输出杆4与超磁致伸缩管6之间、超磁致伸缩管6与线圈5之间、线圈5与圆筒状外壳7之间均应留有间隙，所有间隙的尺寸不小于 0?2mm〇[〇〇26]为满足安装要求，超磁致伸缩管6内直径可以为6mm，外直径可以为12mm;输出杆4 的圆形受力平台4-1的直径可以为12mm，输出杆4直径可以为4.6mm;线圈5内直径可以为 13mm，外直径可以为34mm;圆筒状外壳7的第一中心孔7_2的直径可以为5.2mm。
[0027]为了使本发明与喷油器球阀的安装配合需求，输出杆4与喷油器球阀接触，输出杆 4总长度可以为98.5mm，不通电时露出外壳7的长度可以为22mm，变径杆4-2长度可以为5mm， 变径杆4-2的直径可以为2.6mm;圆筒状外壳7的底面上两层圆环形阶梯台阶7-1的下层圆环形台阶的外径可以为18mm。[〇〇28]将超磁致伸缩材料的伸长转化为输出杆的上行是本发明的关键环节。采用磁致伸缩管作为喷油器球阀的驱动元件，能够充分发挥超磁致伸缩材料输出力大、输出位移大、居里温度高和能量转换效率高的优良特性;借助对输入电流大小和方向的控制，本发明可以实现球阀快速、稳定地开启或关闭，进而能够有效地控制喷油器的喷油和停喷;本发明中没有添加偏置磁场，可以使超磁致伸缩管实现最大的伸长量；只要输入的驱动电流足够大，超磁致伸缩管在线圈产生的驱动磁场的作用下能够输出最大的位移，这样可以采用最小的致动器体积得到最大的输出效果;压簧采用普通圆柱弹簧，能够为超磁致伸缩管提供预压应力，使超磁致伸缩材料更快地达到最大位移;上盖、圆锥台形压块和圆筒状外壳均采用磁导率较高的材料加工制造，使线圈产生的驱动磁场闭合，超磁致伸缩管上能够分配到更多的磁场强度，可提高致动器的电能利用率;超磁致伸缩材料加工成管形式，而且输出杆设计为 “T”型阶梯杆，这两个设计能够将超磁致伸缩管的伸长转化为输出杆的上提，表现为整个致动器尺寸的缩短，这样可以避免超磁致伸缩致动器工作时撞击到球阀的球套。
[0029]以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。 对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器，其特征在于:包括圆筒状外壳 (7)、上盖(1)、圆锥台形压块(2)、压簧(3)、输出杆(4)、超磁致伸缩管(6)和线圈(5);所述圆筒状外壳(7)的上端部设有外螺纹，其底面上设有两层圆环形阶梯台阶(7-1)， 在圆环形阶梯台阶(7-1)的底面设有第一中心孔(7-2)，所述第一中心孔(7-2)的直径大于 所述输出杆(4)的直径;所述两层圆环形阶梯台阶(7-1)与球阀阀座相适配；所述上盖(1)的下端部设有内螺纹，其顶面设有第二中心孔(1-1);所述上盖(1)与所述 圆筒状外壳(7)螺纹连接；所述输出杆(4)的顶端设有圆形受力平台(4-1)，其下端设有变径杆(4-2);所述输出杆(4)、超磁致伸缩管(6)、线圈(5)依次由内向外同轴套装在圆筒状外壳(7) 内；所述输出杆(4)与超磁致伸缩管(6)之间、超磁致伸缩管(6)与线圈(5)之间、线圈(5)与 圆筒状外壳(7)之间均为间隙配合;所述输出杆(4)伸出第一中心孔(7-2)，所述变径杆(4-2)与球阀中嵌套钢球的球套接触;所述圆形受力平台(4-1)的底面与超磁致伸缩管(6)的上 端面相接触;所述圆锥台形压块(2)的圆锥面与所述第二中心孔(1-1)为圆形线接触;所述 压簧(3)位于所述圆形受力平台(4-1)与圆锥台形压块(2)之间。2.根据权利要求1所述的一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器，其特征在 于:所述圆锥台形压块(2)设有两个轴向导线孔(2-1)。3.根据权利要求1所述的一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器，其特征在 于:所述线圈(5)的高度大于所述超磁致伸缩管(6)的高度。4.根据权利要求1所述的一种通电时输出杆上行的管式超磁致伸缩致动器，其特征在 于:所述圆形受力平台(4-1)的外径与所述超磁致伸缩管(6)的外径相等。
【文档编号】H02N2/04GK105978396SQ201610303433
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】薛光明, 何忠波, 张培林, 李冬伟, 杨朝舒, 赵正龙, 周景涛, 荣策
【申请人】中国人民解放军军械工程学院