Пьезоприводы работает на основе обратного пьезоэлектрического эффекта: при подаче напряжения привод сжимается или расширяется. Но когда привод блокируется от перемещения (нагрузкой, приложенной в направлении перемещения), он создает усилие. Эта зависимость между перемещением и усилием в пьезоматериалах является обратной зависимостью. Другими словами, чем большее усилие привод должен прилагать к нагрузке, тем меньший ход он может произвести. “Свободный” привод — тот, который не испытывает сопротивления движению, — обеспечивает максимальное перемещение, часто называемое “свободным ходом”, и создает нулевое усилие.

И наоборот, когда привод заблокирован от перемещения, он будет создавать свое максимальное усилие, которое называется заблокированным, или блокирующим усилием. Теоретически, когда привод заблокирован, он работает против нагрузки с бесконечно высокой жесткостью. Но материалы с бесконечной жесткостью в реальном мире не встречаются, поэтому блокирующая сила определяется путем подачи напряжения на привод без приложения нагрузки. Эта “свободная” операция, как описано выше, обеспечивает максимальное перемещение привода, или свободный ход. Затем прикладывается усилие, возвращающее привод к его первоначальной длине. Это усилие измеряется и регистрируется как блокирующее усилие.

Жесткость привода — это отношение силы блокировки к свободному ходу.

k_p = жесткость пьезопривода

F_блок= блокирующая сила

ΔL_ФС = свободный ход (номинальное смещение) без внешней нагрузки

Существует два типа нагрузки, которые могут быть приложены к пьезоприводу: нагрузка на пружину, которая увеличивается по мере перемещения привода, или постоянная нагрузка, которая не изменяется. Способность привода создавать перемещение и усилие зависит от типа нагрузки.

Многие области применения пьезоэлементов, такие как работа клапанов, создают нагрузки, которые изменяются в зависимости от хода пьезоэлемента — другими словами, нагрузки на пружины. Когда жесткость приложенной пружинной нагрузки мала по сравнению с жесткостью пьезоэлемента, выходное усилие пьезоэлемента (F_эффект) невелик. Другими словами, пружина (нагрузка) с низкой жесткостью обеспечивает очень незначительную “блокировку” пьезоэлемента для создания усилия. Таким образом, выходное усилие пьезоэлемента значительно снижается по сравнению с его максимальным, или блокирующим, усилием.

F_эффект = усилие, создаваемое пружинной нагрузкой

k_e = жесткость приложенной нагрузки

С другой стороны, пружина лишь незначительно уменьшает смещение привода:

ΔL = смещение 0f привода с пружинной нагрузкой

Для предварительной загрузки пьезопривода обычно рекомендуется использовать пружинную нагрузку низкой жесткости — обычно не более 10 процентов от пьезожесткости — чтобы гарантировать, что смещение не будет сильно уменьшено.

Выходное усилие и перемещение пьезоэлемента при постоянной нагрузке

При приложении постоянной нагрузки происходит первоначальное прогибание или сжатие приводаиз-за нагрузки. Это означает, что нулевая точка рабочей кривой смещена, но ход привода остается неизменным.

ΔL_N = смещение нулевой точки при постоянной нагрузке

F = приложенная нагрузка

При приложении нагрузки создается некоторое усилие, вызывающее первоначальное отклонение, но как только привод реагирует на приложение нагрузки, его оставшаяся работа идет на создание смещения. Нулевая точка блокирующей силы (максимальная сила) также смещается, но на ее величину это не влияет.

Автор изображения: Noliac