CN115111218A - 一种压电驱动伺服阀 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压电驱动伺服阀。该压电驱动伺服阀包括：阀体；压电堆叠驱动器，设置在阀体一端；驱动杆，其一端与压电驱动器连接，其另一端与传动机构连接；球头；轴承，内圈固定在驱动杆上，外圈固定在球头上；传动机构，其一端与球头抵接，其另一端与阀芯连接。调整传动机构夹紧球头后，压电堆叠驱动器放大压电体的电致形变，驱动驱动杆直线运动，球头在驱动杆带动下直线运动，传动机构将球头的直线移动转换为传动机构的绕阀芯的转动，从而带动阀芯转动，以使阀芯相对于阀套沿阀芯的轴向滑动，传动机构跟随阀芯产生轴向滑动，轴承将驱动杆与传动机构之间沿阀芯的轴向滑动转化为滚动。通过这种方式，能够实现高频率高精度的控制，提高机构精度、减小结构体积和重量，并减小复位死区。

Description

一种压电驱动伺服阀

技术领域

本申请涉及流体传动及控制技术领域，特别是涉及一种压电驱动伺服阀。

背景技术

液压伺服控制是一门较新的科学技术。其中，电液伺服系统以其响应速度快、输出功率大、控制精度高而广泛应用于众多工业生产过程，军事，航空航天等领域中。但传统电液伺服阀的电气-机械转换器所采用的力矩马达或电磁马达是基于电磁原理构成的，结构复杂、成本高。受电磁转换、工艺等因素制约，其性能难于进一步提高。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种压电驱动伺服阀，以实现高频率高精度的控制，提高机构精度、减小结构体积和重量，并减小复位死区。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种压电驱动伺服阀。该压电驱动伺服阀包括：阀体；压电堆叠驱动器，设置在阀体一端；驱动杆，其一端与压电堆叠驱动器连接；球头；轴承，内圈固定在驱动杆上，外圈固定在球头上；传动机构，其一端与球头抵接，其另一端与阀芯连接。调整传动机构夹紧球头后，压电堆叠驱动器放大压电体的电致形变，驱动驱动杆直线运动，球头在驱动杆带动下直线运动，传动机构将球头的直线移动转换为传动机构的绕阀芯的转动，从而带动阀芯转动，以使阀芯相对于阀套沿阀芯的轴向滑动，传动机构跟随阀芯产生轴向滑动，轴承将驱动杆与传动机构之间沿阀芯的轴向滑动转化为滚动。

本申请的有益效果是：本申请压电驱动伺服阀采用压电堆叠驱动器作为驱动机构，具有较大的驱动力，可以把其产生的驱动力顶出，能够加大驱动杆的运动力矩，能够增加驱动杆对阀芯的驱动力，能够实现高频率高精度的控制。柔性铰链与压电陶瓷叠堆配合使用，可以提高机构精度、减小结构体积和重量。同时，复位构部的设置减小复位死区。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请压电堆叠驱动电液伺服阀一实施例的立体结构示意图。图1中包括：阀主体11(包括阀芯110、阀套111、阀体112、第一盖体113、第二盖体114)、压电堆叠驱动器12、驱动杆13及传动机构14；

图2是图1实施例压电堆叠驱动电液伺服阀部分结构的爆炸结构示意图。图2中包括：阀芯110、第二盖体114、压电堆叠驱动器12(包括柔性铰链121、多个压电陶瓷122)、驱动杆13(包括第一杆部131、第二杆部132)、传动机构14(包括复位构部141、紧固构部142)及底板15；

图3是图1实施例压电堆叠驱动电液伺服阀中部分结构沿驱动杆轴向及阀芯径向的剖面结构示意图；图3中包括：柔性铰链121、多个压电陶瓷122、驱动杆13(包括球头31、轴承32)、复位构部141(包括第一抵板1411、第二抵板1412)、紧固构部142、第一通孔21及第二通孔22。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提出一种电液伺服阀，如图1至图3所示，图1是本申请压电堆叠驱动电液伺服阀一实施例的立体结构示意图；图2是图1实施例压电堆叠驱动电液伺服阀部分结构的爆炸结构示意图；图3是图1实施例压电堆叠驱动电液伺服阀中部分结构沿驱动杆轴向及阀芯径向的剖面结构示意图。本实施例压电堆叠驱动电液伺服阀10包括：阀主体11(包括阀芯110)、压电堆叠驱动器12、驱动杆13、球头31、轴承32及传动机构14；其中，压电堆叠驱动器12设置在阀主体11上；驱动杆13的一端与压电堆叠驱动器12连接；球头31设置在驱动杆13上；轴承32的内圈固定在驱动杆13上，轴承32的外圈固定在所述球头31上；传动机构14的一端与球头31连接，传动机构14的另一端与阀芯110连接，通过压电体的电致形变驱动驱动杆13带动球头31运动，传动机构14将球头31的直线移动转换为传动机构14的绕阀芯110的转动，从而带动阀芯110转动，以使阀芯相对于阀体111沿阀芯110轴向滑动，传动机构跟随阀芯110产生轴向滑动，轴承32将驱动杆13与传动机构14之间沿阀芯110的轴向滑动转化为滚动。

其中，本实施例的压电堆叠驱动器12的压电陶瓷层叠方向与阀芯110方向垂直，能够缩小压电堆叠驱动电液伺服阀10沿阀芯110方向的尺寸过大，且垂直布局便于实现压电堆叠驱动器12对阀芯110的垂直驱动，能够减速增扭。

区别于现有技术，本实施例压电堆叠驱动电液伺服阀10采用压电堆叠驱动器12作为驱动机构，具有较大的驱动力，可以把其产生的驱动力顶出，能够加大驱动杆13的运动力矩，能够增加驱动杆13对阀芯110的驱动力，能够实现高频率高精度；且相对于现有的导控型电液伺服阀等，其结构简单易实现，因此能够简化电液伺服阀的结构，缩小体积，节约成本且复位构部松紧度可调节，能够减小复位死区。

可选地，本实施例的驱动杆13包括沿第一方向延伸的第一杆部131及沿第二方向延伸的第二杆部132，第一杆部131与第二杆部132固定连接，第二杆部132背离第一杆部131的一端与传动机构14抵接，第一方向与第二方向垂直设置；传动机构14位于第二杆部132与阀芯110之间，传动机构14的固定端设置在阀芯110上，传动机构14的输入端与第二杆部132抵接；压电堆叠驱动器12位于第一杆部131与阀主体11之间，压电堆叠驱动器12的固定端设置在阀主体11上，电压堆叠驱动器12的输出端与第一杆部131连接，压电堆叠驱动器12驱动第一杆部131和第二杆部132沿第一方向运动，以带动传动机构14沿第二方向摆动。

其中，第一方向为平行于第一杆部131的方向，即图3中的上下方向；第二方向为平行于阀芯110的方向，即图3中的前后方向。

可选地，本实施例的压电堆叠驱动器12包括：柔性铰链121及多个压电陶瓷122；其中，柔性铰链121设置在所述阀体上；多个压电陶瓷122沿第三方向依次层叠固定在所述柔性铰链中。

其中，第三方向与第一方向、第二方向垂直设置，即图3中的左右方向。

进一步地，压电堆叠驱动器12设有输出轴；压电堆叠驱动器12通电时，输出轴伸出，以将其驱动力传递给第一杆部131；压电堆叠驱动器12断电时，输出轴(自动或在外力作用下)收缩，以消除对第一杆部131的驱动力。

本实施例的多个压电陶瓷121使用物理串联、电学并联或者串联连接形成压电叠堆驱动器12，其效率比单个压电陶瓷高。

其中，本实施例的压电陶瓷可以为钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO₃(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物或者偏铌酸盐系压电陶瓷等。

在其它实施例中，还可以采用压电晶体或者压电半导体及有机高分子压电材料等代替压电陶瓷。

可选地，本实施例的传动机构14包括：复位构部141和紧固构部142；其中，复位构部141设置在第二杆部132背离第一杆部131的一端，复位机构141用于对沿第一方向运动的第一杆部131进行复位，以对沿第二方向摆动的传动机构14进行复位；紧固构部142，设置在复位构部141与阀芯110之间，紧固部构142与复位构部141固定连接。

可选地，本实施例的复位构部141包括：第一抵板1411和第二抵板1412；其中，第一抵板1411设置在第二杆部132远离压电堆叠驱动器12的一侧；第二抵板1412，设置在第二杆部132靠近压电堆叠驱动器12的一侧。

在一应用场景中，如图3所示，压电堆叠驱动器12通电时驱动驱动杆13沿第一方向向上运动带动第一抵板1411，以使传动机构14在纸平面逆时针运动，柔性铰链121拉伸，柔性铰链121存储压缩力；压电堆叠驱动器12断电时，对驱动杆13的驱动力消失，柔性铰链121利用该收缩力带动驱动杆13沿第一方向向下运动带动第二抵板1412，传动机构14在纸平面顺时针运动，以使阀芯110复位。

进一步地，在平衡状态下的球头31与阀芯110的中心距离(即扭矩)为8.8～9.4mm，球头31与传动机构14在第二方向(即图3中的左右方向)的最大距离需大于0.01mm，以使驱动杆13驱动传动机构14带动的阀芯110在0～2°范围内周向旋转。

可选地，复位构部141与驱动杆13连接的一端设有第一通孔21，第一抵板1411与球头31抵接，第二抵板1412与球头31抵接，复位构部141设有沿第一方向延伸的第一通孔21，第一方向与驱动杆13运动方向一致。

第一紧固零件，通过第一通孔21，夹紧所述复位构部，并且可调节，能够在后续使用中调节松紧度，减小复位死区。

可选地，本实施例压电堆叠驱动电液伺服阀10进一步包括底板15，底板15设置在阀主体11与压电堆叠驱动器12之间，固定在阀主体11上；底板15设有沿第一方向延伸的安装孔，用于安装柔性铰链121。

底板15设置在阀主体11上，用于承载压电堆叠驱动器12，最后一层柔性铰链一端121固定设置在底板15上，能够减少压电堆叠驱动器12与阀主体11之间的摩擦。

可选地，本实施例的驱动杆13设有沿第一方向延伸的安装孔(图未标)，第一方向与驱动杆13运动方向一致。

第一杆部131与第二杆部132可以一体设置，以增加稳定性。

下面一并参阅图1至图3，本申请实施例的阀主体11包括：阀芯110、阀套111及阀体112；其中，阀套111套设在阀芯110外，阀芯110与阀套111以可旋转及可滑动方式连接；阀体112套设在阀套111外，并与阀套111固定连接；阀芯110通过第三通孔23与传动机构14连接。

阀主体11、压电堆叠驱动器12、驱动杆13、球头31、轴承32及传动机构14；其中，压电堆叠驱动器12设置在阀主体11上；驱动杆13的一端与压电堆叠驱动器12连接；球头31设置在驱动杆13上；轴承32的内圈固定在驱动杆13上，轴承32的外圈固定在所述球头31上；传动机构14的一端与球头31连接，传动机构14的另一端与阀芯110连接，通过压电体的电致形变驱动驱动杆13带动球头31运动，传动机构14将球头31的直线移动转换为传动机构14的绕阀芯110的转动，从而带动阀芯110转动，以使阀芯相对于阀体111沿阀芯110轴向滑动，传动机构跟随阀芯110产生轴向滑动，轴承32将驱动杆13与传动机构14之间沿阀芯110的轴向滑动转化为滚动。

具体地，驱动杆13的第二杆部132背离第一杆部131的一端设有沿第三方向的轴，所述轴用于安装轴承32连接球头31，球头31沿第三方向旋转，以减小球头31与复位构部141间摩擦，从而使驱动杆13的直线移动更少得影响传动机构14的轴向移动，球头31与复位构部141抵接。

可选地，本实施例的阀主体11进一步包括：第一盖体113及第二盖体114；其中，第一盖体113盖设在阀体113的一端上，以密封阀体112的一端，并与阀体112之间形成第一液压腔；第二盖体114盖设在阀主体114的另一端上，以密封阀体112的一端，并与阀体112之间形成第二液压腔。

在一应用场景中，阀芯110在驱动杆13的作用下相对于与阀套111转动，以使第一液压腔和第二液压腔之间产生液压差，阀芯110在液压差的作用下相对于阀套111沿阀芯110的轴向运动，以使阀芯110达到新的平衡点，实现阀口的打开或者关闭。

本实施例能够实现压电叠堆驱动型二位三通电液比例开关阀；本实施例的阀主体11为半桥封闭式阀体。在其它实施例中，还可以采用全桥式阀体，能够实现压电叠堆驱动型电液比例换向阀。

压电堆叠驱动器12未通电时，驱动杆13处于初始状态，阀芯110处于中位。此时，阀芯110的各台肩密封阀套111的各槽口，滑阀未打开；当压电堆叠驱动器12通电时，驱动杆13在驱动力作用下，带动传动机构14绕着阀芯110发生偏转，设定传动机构14逆时针旋转为正向，阀芯110由左向右看逆时针转动为阀芯110的转动正方向。第二杆部132下端压紧第二抵板1412，传动机构14负向转动一定角度，以拨动阀芯110负向转动；此时，通过阀套111的各槽口与阀芯110的各槽口的重叠面积的改变，第一液压腔的压力增加，第二液压腔的压力不变，阀芯110在轴向压差作用下沿轴向向右滑动；随着阀芯110向右滑动，阀套111的各槽口与阀芯110的各槽口的重叠面积会改变，使得第一液压腔的压力与第二液压腔的压力再次相等，阀芯110处于轴向平衡位置。

压电堆叠驱动器12所能产生的力更大，能让阀芯110产生一个较大的旋转。

压电堆叠驱动器12未工作时通过传动机构14进行复位，阀体的11的工作原理与上面类似。

区别于现有技术，本申请压电堆叠驱动电液伺服阀包括：阀体；压电堆叠驱动器，设置在阀体一端；驱动杆，其一端与压电堆叠驱动器连接；球头；轴承，内圈固定在驱动杆上，外圈固定在球头上；传动机构，其一端与球头抵接，其另一端与阀芯连接。调整传动机构夹紧球头后，压电堆叠驱动器放大压电体的电致形变，驱动驱动杆直线运动，球头在驱动杆带动下直线运动，传动机构将球头的直线移动转换为传动机构的绕阀芯的转动，从而带动阀芯转动，以使阀芯相对于阀套沿阀芯的轴向滑动，传动机构跟随阀芯产生轴向滑动，轴承将驱动杆与传动机构之间沿阀芯的轴向滑动转化为滚动。本申请压电堆叠驱动电液伺服阀采用压电堆叠驱动器作为驱动机构，具有较大的驱动力，可以把其产生的驱动力顶出，能够加大驱动杆的运动力矩，能够增加驱动杆对阀芯的驱动力，能够实现高频率高精度；且相对于现有的导控型电液伺服阀等，其结构简单易实现，因此能够简化电液伺服阀的结构，缩小体积，节约成本，且复位构部的松紧度可调节，能够减小复位死区。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种压电驱动伺服阀，其特征在于，包括：

阀主体，包括阀芯、阀套、阀体；

压电堆叠驱动器，设置在所述阀体上；

驱动杆，其一端与所述压电堆叠驱动器连接，所述驱动杆在所述压电堆叠驱动器的驱动下运动；

球头；

轴承，连接所述驱动杆和所述球头，内圈固定在所述驱动杆上，外圈固定在所述球头上；

传动机构，其一端与所述球头抵接，其另一端与所述阀芯连接。调整所述传动机构夹紧所述球头后，所述压电堆叠驱动器放大压电体的电致形变，驱动所述驱动杆直线运动，所述球头在所述驱动杆带动下直线运动，所述传动机构将所述球头的直线移动转换为所述传动机构的绕所述阀芯的转动，从而带动所述阀芯转动，以使所述阀芯相对于所述阀套沿所述阀芯的轴向滑动，所述传动机构跟随所述阀芯产生轴向滑动，所述轴承将所述驱动杆与所述传动机构之间沿所述阀芯的轴向滑动转化为滚动。

2.根据权利要求1所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述驱动杆包括沿第一方向延伸的第一杆部及沿第二方向延伸的第二杆部，所述第一杆部与所述第二杆部固定连接，所述第二杆部背离所述第一杆部的一端与所述传动机构连接，所述第一方向与所述第二方向垂直设置；

所述传动机构位于所述第二杆部与所述阀芯之间，其固定端设置在所述阀芯上，其输入端与所述驱动杆第二杆部连接的所述球头抵接；

所述压电堆叠驱动器位于所述第一杆部与所述阀体之间，其固定端设置在所述阀体上，其输出端与所述第一杆部连接，所述压电堆叠驱动器驱动所述第一杆部和所述第二杆部沿所述第一方向运动，以带动所述传动机构沿第二方向摆动。

3.根据权利要求1所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述球头有设置安装孔，在初始状态下沿所述第二方向，以连接所述轴承。

4.根据权利要求2所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述压电堆叠驱动器包括：

柔性铰链，设置在所述阀体上；

所述柔性铰链两端设有沿第一方向延伸的安装孔；

多个压电陶瓷，沿第三方向依次层叠固定在所述柔性铰链中，所述第三方向与所述驱动杆运动所在平面垂直。

5.根据权利要求2所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述传动机构包括：

复位构部，设置在所述第二杆部背离所述第一杆部的一端，所述复位机构用于对沿所述第一方向运动的第一杆部进行复位，以对沿所述第二方向摆动的所述传动机构进行复位；

紧固构部，设置在所述复位构部与所述阀芯之间，所述紧固部构与所述复位构部固定连接。

6.根据权利要求5所述的压电堆叠驱动电液比例阀，其特征在于，所述复位构部包括：

第一抵板，设置在所述第二杆部远离所述压电堆叠驱动器的一侧；

第二抵板，设置在所述第二杆部靠近所述压电堆叠驱动器的一侧。

7.根据权利要求5所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述复位构部与所述驱动杆连接的一端设有第一通孔，所述第一抵板与所述球头抵接，所述第二抵板与所述球头抵接，所述传动机构进一步包括：

第一紧固零件，通过所述第一通孔，夹紧所述传动机构。

8.根据权利要求5所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述紧固部构与所述阀芯连接的一端设有第二通孔，所述传动机构与所述球头有两处抵接，所述传动机构进一步包括：

第二紧固零件，通过所述第二通孔，夹紧所述阀芯。

9.根据权利要求1所述的压电驱动伺服阀，其特征在于，所述阀体进一步包括：

第一盖体，盖设在所述阀体的一端上，以密封所述阀体的一端；

第二盖体，盖设在所述阀体的另一端上，以密封所述阀体的另一端；

所述第二盖板中部设有第三通孔，所述阀芯通过所述第三通孔，并与所述传动机构固定连接。

10.根据权利要求4所述的压电堆叠驱动电液比例阀，其特征在于，进一步包括：底板，设置在所述阀体与所述压电堆叠驱动器之间，固定在第二盖体上；

所述底板设有沿第一方向延伸的安装孔，用于安装所述柔性铰链。

Images