DE10030232A1 - Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung mit Spielausgleich - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung mit Spielausgleich, die einen Zylinder (1, 21), mindestens einen Kolben (2, 22, 23) und ein elastisches Speicherreservoir (4, 30) für ein Übertragungsmedium umfasst, wobei ein Druckraum (6, 26) zwischen dem Kolben (2, 22, 23) und dem Zylinder (1, 21) ausgebildet ist, der Druckraum (6, 26) und das Speicherreservoir (4, 30) über einen Ringspalt (15, 44) zwischen Zylinder (1, 21) und Kolben (2, 22, 23) sowie einen zusätzlichen Durchgang (5, 40) miteinander verbunden sind und der Durchgang (5, 40) eine Durchlass- und eine Sperrrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übertra­ gen einer Bewegung und/oder zum Spielausgleich gemäß dem O­ berbegriff des Patentanspruches 1.

Bei diversen Antrieben, beispielsweise beim Steuern/Antreiben von Ventilen, ist ein minimales Spiel bzw. eine definierte maximale Kontaktkraft zwischen einem Aktor und einer ange­ triebenen Komponente eine Voraussetzung für eine zuverlässige Funktion des Antriebes. Insbesondere bei der Verwendung von Piezoaktoren als Antrieb stellt dieses eine wesentliche Einsatzbedingung dar, weil Piezoaktoren zwar hohe Betäti­ gungskräfte ermöglichen, die darstellbaren Aktorhübe jedoch sehr klein sind. Aufgrund von Längenänderungen infolge von Temperaturänderungen, Fertigungstoleranzen und Verschleißer­ scheinungen muss bei Systemen ohne Spielausgleich zumindest ein gewisses Maß eines Funktionsspiels vorgesehen werden, wo­ durch jedoch der Arbeitshub entsprechend verringert wird. Piezoaktoren verlieren dabei einen nicht zu vernachlässigen Anteil des Nutzhubes. Durch den Einsatz eines Spielausgleichs kann ein Antrieb spielfrei gehalten werden, so dass der ge­ samte Aktorhub als Nutzhub zur Verfügung steht.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 08 304 ist eine Vorrichtung zur Übertragung einer Bewegung auf ein Einspritz­ ventil bekannt, die ein Übertragungsmodul mit einer Druckkam­ mer und einer Ausgleichskammer umfasst. Das Übertragungsmodul ist zwischen einem Piezoaktor und einem Ventilstößel angeord­ net. Die Druckkammer und Ausgleichskammer sind mit einem Ü­ bertragungsmedium gefüllt, wobei die Druckkammer auf einer Seite von einer Membran abgeschlossen und über eine an der gegenüberliegenden Seite angeordneten Drossel mit der Aus­ gleichskammer verbunden ist. Die Ausgleichskammer ist auf ei­ ner Seite durch eine vorgespannte Federplatte oder eine federbeaufschlagte zweite Membran abgeschlossen, über die Aus­ gleichskammer und Druckkammer unter einem vorgegebenen Druck stehen. Die Drossel ist dabei so ausgestaltet, dass zeitlich kurze Druckunterschiede kaum und lange Druckunterschiede vollständig ausgeglichen werden. Eine Dejustage aufgrund Tem­ peraturänderung oder Verschleiß wird durch einen Fluss des Ü­ bertragungsmediums von Ausgleichskammer zu Druckkammer und umgekehrt ausgeglichen. Nachteilig ist, dass ein möglicher Spielausgleich durch die maximal erreichbare Wölbung der Membran der Druckkammer begrenzt ist. Ein schnelles und kurz­ zeitiges Nachfüllen der Druckkammer mit dem Übertragungsmedi­ um aus der Ausgleichskammer ist wegen der oben beschriebenen Drosselfunktion nicht möglich.

Aus der internationalen Veröffentlichung 98/15018 ist eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines piezoelekt­ rischen Aktors mit einer Druckkammer bekannt, wobei die Druckkammer mit einem Arbeitsmedium gefüllt und beidseitig durch eine erste und zweite Membran begrenzt ist. Die Druck­ kammer ist so zwischen dem Aktor und einem Stößel angeordnet, dass die erste Membran dem Aktor und die zweite Membran dem Stößel zugeordnet ist. Eine Auslenkung des Aktors wird über die erste und zweite Membran auf den Stößel übertragen, wobei die erste und zweite Membran unterschiedlich große effektive Flächen aufweisen können. Ein Spielausgleich über eine Aus­ gleichskammer ist nicht vorgesehen.

Aus der europäischen Veröffentlichung EP 0 947 690 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit hydraulischem Über­ setzer bekannt. Zwischen zwei Kolben, die in einem Gehäuse verschiebbar angeordnet sind, ist ein Druckraum vorgesehen. Zum Ausgleich von Flüssigkeitsverlusten des Druckraumes sind jeweils Steuerräume hinter den Kolben ausgebildet, wobei die Steuerräume und Kolben jeweils von einer Membran abgedichtet sind. Die Steuerräume sind über Drosselbohrungen an eine Leckölbohrung angeschlossen. Die Drosselbohrungen haben in Entlastungsrichtung des Steuerraumes einen scharfkantigen und in Füllrichtung einen gerundeten Übergang. Durch eine ent­ sprechende Dimensionierung wird in den Steuerräumen so ein ausreichender Mindestdruck zum Wiederbefüllen des Druckraumes eingestellt. Bei einem Kolbenhub wird über die dem einen Kol­ ben zugeordnete Membranfläche in der einen Steuerkammer ein Gegendruck entgegen dem Leckölstrom aus der Druckkammer in Richtung dieser Steuerkammer aufgebaut. Gleichzeitig wird die andere Steuerkammer über die Drosselbohrung und aufgrund der entgegengesetzten Bewegung des anderen Kolbens mit der zuge­ ordneten Membran wieder befüllt.

Bei Common Rail Injektoren wurden außerdem schon eine Reihe von hydraulischen Spielausgleichsvarianten vorgeschlagen, die als offene Systeme ausgeführt sind und Dieselkraftstoff, z. B. aus der Leckage, als Hydraulikflüssigkeit nutzen. Diese Sys­ teme haben den Nachteil, dass eine gasfreie Befüllung des Ü­ bertragungsweges nicht unter allen Betriebsbedingungen si­ chergestellt ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des obigen Standes der Technik zu überwinden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruches 1 vorgeschlagen.

Demnach ist bei einer Vorrichtung zum Übertragen einer Bewe­ gung und/oder zum Spielausgleich der Druckraum und das elas­ tische Speicherreservoir über einen Durchgang miteinander verbunden, wobei der Durchgang eine Durchlass- und eine Sper­ richtung aufweist, so dass ein Fluss des Übertragungsmediums von dem Speicherreservoir zu dem Druckraum ermöglicht und ein Fluss in entgegengesetzter Richtung im wesentlichen gesperrt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine gasfreie Be­ füllung des Übertragungsweges unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet, wobei über den Ringspalt und den Durchgang sowie den Druckraum und das Speicherreservoir insbesondere ein geschlossenes System ausgebildet werden kann. Ein schneller Verlustausgleich des Übertragungsmediums in dem Druckraum wird über den Durchgang sichergestellt. Durch die unmittelba­ re Ausbildung des Druckraumes zwischen Zylinder und Kolben ist ein Spielausgleich über einen weiten Bereich möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als reine Metallausführung realisiert sein, wodurch eine hohe Belastbarkeit und Lebens­ dauer gefördert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den 3 Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnah­ me auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Übertragen ei­ ner Bewegung und/oder Spielausgleich ohne Hubüberset­ zung und

Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Übertragen ei­ ner Bewegung und/oder Spielausgleich mit Hubüberset­ zung und integrierter Bewegungsumkehr.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung und/oder Spiel­ ausgleich, wobei keine Hubübersetzung vorgesehen ist. Die Vorrichtung weist einen Zylinder 1 mit Führung auf, in der ein Kolben 2 mit minimalem radialen Spiel verschiebbar ange­ ordnet ist. Zwischen einer Stirnseite 14 des Kolbens 2 und der Führung 16 des Zylinders 1 ist ein Druckraum 3 ausgebildet, die mit einem Übertragungsmedium, beispielsweise Hydrau­ likflüssigkeit, gefüllt ist. Die Verwendung eines Kolbens 2 hat den Vorteil, dass sich damit eine Vorrichtung aufbauen läßt, die im dynamischen Betrieb eine ausreichend hohe Stei­ figkeit aufweist und gegenüber Längenänderungen, die sich ü­ ber einen größere Zeiträume erstrecken, weich ist.

Der Druckraum 3 steht über einen Ringspalt 15 des radialen Spiels zwischen Kolben 2 und Zylinderführung 16 und einem Durchgang 5 bzw. Kanal 5 im Kolben 2 mit einem Speicherreser­ voir 4 für das Übertragungsmedium in Verbindung. Durchgänge bzw. Kanäle können beispielsweise als Bohrungen ausgeführt sein. Der Durchgang 5 weist ein federbelastetes Ventil 6 auf, das nur einen Fluss des Übertragungsmediums von dem Speicher­ reservoir 4 in Richtung Druckraum 3 gestattet.

Das Speicherreservoir 4 ist derart elastisch vorgesehen, dass zum Ausgleichen von Toleranzen, Verschleiß und/oder thermi­ scher Längenänderungen eine entsprechende Menge Übertragungs­ medium in dem Druckraum 3 fließen kann, ohne dass dabei eine Änderung des statischen Druckes im Speicherreservoir 4 be­ wirkt wird. Um die Dichtheit der Vorrichtung über die Lebens­ dauer auch im hochdynamischen Betrieb zu gewährleisten, ist eine rein metallische Ausführung der Vorrichtung, d. h. auch des Speicherreservoirs 4, vorteilhaft. Diese Anforderungen können mit einem System aus Metall-Faltenbälgen erfüllt wer­ den. Dazu ist das Speicherreservoir 4 aus ineinandergeschobe­ nen Metallbälgen 9, 10 aufgebaut. Das obere Ende 13 des Spei­ cherreservoir 4 bzw. der ineinander angeordneten Metallbälge 9, 10 ist unabhängig von der Bewegung des Kolbens 2 frei in axialer Richtung verschiebbar, um die Speicherfunktion zu ge­ währleisten. Über einen Befülldurchgang 8, der ein Ver­ schlusselement 7 aufweist, kann die Vorrichtung mit dem Über­ tragungsmedium befüllt und vorgespannt werden.

Auf eine obere Stirnseite 11 des Kolbens 2 drückt ein (nicht dargestelltes) Stellglied, z. B. ein elektrisch angesteuerter Piezoaktor. Die vom Piezoaktor aufgebrachte Kraft wirkt über den Kolben 2, den Druckraum 3 und die Stirnseite 12 des Zy­ linders 1 auf ein (nicht dargestelltes) zu betätigendes Ele­ ment. Dieses kann beispielsweise ein Steuerventil sein. In­ folge der Kraftwirkung des Piezoaktor im ausgelenktem Zustand steigt der Druck in dem Druckraum 3 an und eine geringe Menge Übertragungsmedium entweicht über den Ringspalt 15 aus dem Druckraum 3 in das Speicherreservoir 4.

In der Zeit, in der der Piezoaktor nicht angesteuert ist, kann das Übertragungsmedium in dem Druckraum 3 über den Durchgang 5 und das Ventil 6 wieder ergänzt werden. Der sta­ tische Druck im Speicherreservoir 4 und die gleichzeitig als Druckfedern wirkenden Metallbälge 9, 10 erzeugen in dieser Phase eine definierte Kontaktkraft zwischen Stellglied und zu betätigendem Element. Änderungen in der Justage bzw. Abstim­ mung der einzelnen Komponenten aufgrund Temperaturausdehnung, Verschleiß und ähnlichem werden wegen der damit einhergehen­ den Druckänderung durch einen entsprechenden Fluss des Über­ tragungsmediums ausgeglichen.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung und/oder Spiel­ ausgleich, wobei eine Hubübersetzung mit integrierter Bewe­ gungsumkehr vorgesehen ist. Ein Zylinder 21 ist mit seinen beiden Planflächen 24 in ein Gehäuse, beispielsweise ein In­ jektorgehäuse eingespannt. Zwei Kolben 22, 23, von denen der eine als ein Hohlkolben 22 und der andere als ein Hubkolben 23 ausgeführt ist, sind in dem Zylinder 21 eingesetzt. Dabei läuft der Hohlkolben 22 in einer Führung 45 des Zylinders 21 und der Hubkolben 23 in einer entsprechenden Führung 46 des Hohlkolbens 22.

Ein Druckraum 26 wird von benachbarten Stirnflächen 42, 43 der ineinander angeordneten Kolben 22, 23 und der Führung des Zylinders 21 gebildet. In einem von Hohl- und Hubkolben 22, 23 aufgespannten Raum 37 ist eine Druckfeder 28 eingesetzt, über die eine Rückstellkraft aufgebracht wird. Für ein Über­ tragungsmedium ist ein elastisches Speicherreservoir 30, das aus zwei ineinandergeschobenen Metallbälgen 32, 33 aufgebaut ist, an einem Ende des Zylinders 21 angeordnet. Am anderen Ende des Zylinders 21 ist ein Speicherraum 34 in Form eines Metallbalges 33 vorgesehen, der den Hubkolben 23 nach außen hin abdichtet. Das Speicherreservoir 34 ist über einen Durch­ gang 36 des Hohlkolbens 22, den Federraum 37 und einen Durch­ gang 40 des Hubkolbens 23 mit dem Druckraum 26 sowie Ring­ spalten 44 aufgrund radialen Spiels von Kolben 22, 23 und Zy­ linder 21 verbunden.

Der Durchgang 40 des Hubkolbens 23 umfasst ein Ventil 29 das in Flussrichtung von Speicherreservoir 30 zum Druckraum 26 öffnet und in entgegengesetzter Richtung schließt. Der Speicherraum 34 ist über einen weiteren Durchgang 35, den Fe­ derraum 37 und den Durchgang 36 mit dem Speicherreservoir 30 verbunden. Zum Befüllen der Vorrichtung mit einem Übertra­ gungsmedium mit geringer Kompressibilität wie Hydraulikflüs­ sigkeit ist ein Befülldurchgang 38 mit einem Verschlussele­ ment 39 vorgesehen.

Auf eine Stirnfläche 25 des Hohlkolben 22 wird über ein (nicht dargestellten) Piezoaktor eine Druckkraft ausgeübt, wodurch der Hohlkolben 22 um den Hub des Piezoaktors nach un­ ten verschoben wird. In dem Druckraum 26 wird dadurch ein Druck aufgebaut, der den Hubkolben 23 entgegen der Bewegungs­ richtung des Hohlkolbens 22 anhebt. Die Stirnseite 27 des Hubkolbens 23 ist mit einem (nicht dargestellten) zu betäti­ gendem Element, wie einem Steuerventil verbunden. Durch diese Bewegung des Hubkolbens 23 wird somit das Steuerventil geöff­ net. Die Rückstellkraft wird durch die Feder 28 aufgebracht, die bei nicht angesteuerten Piezoaktor sowohl die Dichtkraft am Steuerventil als auch die Kontaktkraft am Piezoaktor be­ wirkt. Über das federbelastete Ventil 28 wird die Menge Übertragungsmedium aus dem Speicherreservoir nachgefördert, die bei der Ansteuerung des Piezoaktors aus dem Druckraum 26 als Leckage entweicht. Die Metallbälge 31, 32 des Speicherreser­ voirs 30 übernehmen bei dieser Ausführungsform der Erfindung keine Federfunktion.

Für eine verlustfreie Kraft-Weg-Übertragung ist bei beiden Ausführungsformen eine gasfreie Befüllung des gesamten Innen­ raumes mit dem Übertragungsmedium erforderlich.

Bezugszeichenliste

zu

Fig.

1

:

1

Zylinder

2

Kolben

3

Druckraum

4

Speicherreservoir

5

Durchgang

6

Ventil

7

Verschlußelement

8

Befülldurchgang

9

Metallbalg

10

Metallbalg

11

obere Stirnseite des Kolben

12

Stirnseite des Zylinders

13

oberes Ende Metallbalgsystem

14

Stirnseite des Kolbens

15

Ringspalt

16

Führung des Zylinders
zu

Fig.

2

:

21

Zylinder

22

Hohlkolben

23

Hubkolben

24

beiden Planflächen des Zylinders

25

Stirnfläche des Hohlkolbens

26

Druckraum

27

Stirnseite des Hubkolbens

28

Feder

29

Ventil

30

Speicherreservoir

31

Metallbalg

32

Metallbalg

33

Metallbalg

34

Speicherraum

35

Durchgang

36

Durchgang des Hohlkolbens

37

Federraum

38

Befülldurchgang

39

Verschlußelement

40

Durchgang des Hubkolbens

42

Stirnfläche des Hohlkolbens

43

Stirnfläche des Hubkolbens

44

Ringspalten

45

Führung des Zylinders

46

Führung des Hohlkolbens

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung und/oder zum Spielausgleich umfassend einen Zylinder (1, 21) mit einer Führung (16, 45, 46), mindestens einen Kolben (2, 22, 23)und ein elastisches Speicherreservoir (4, 30) für ein Übertra­ gungsmedium, wobei der Kolben (2, 22, 23) in der Führung (16, 45, 46) des Zylinders (1, 21) angeordnet ist und zwischen der Führung (16, 45, 46) und einer Stirnseite (14, 42, 43) des Kolbens ein Druckraum (6, 26) ausgebildet wird, der Druckraum (6, 26) mit dem Übertragungsmedium gefüllt sowie der Druck­ raum (6, 26) und das Speicherreservoir (4, 30) so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass sie zumindest mittelbar ü­ ber einen Ringspalt (15, 44) zwischen Zylinder(1, 21) und Kolben (2, 22, 23) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1, 21), der Kolben (2, 22, 23), das Speicherreservoir (4, 30), der Druckraum (6, 26), der Ringspalt (15, 44) und der Durchgang (5, 40) ein ab­ geschlossenes System für das Übertragungsmedium bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Druckraum (6, 26) und das elastische Speicherreservoir (4, 30) über einen Durchgang (5, 40) mit­ einander verbunden sind, wobei der Durchgang (5, 40) eine Durchlass- und eine Sperrichtung aufweist, so dass ein Fluss des Übertragungsmediums von dem Speicherreservoir (4, 30) zu dem Druckraum (6, 26) ermöglicht und ein Fluss in entgegenge­ setzter Richtung im wesentlichen gesperrt wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (5, 40) zum Erzie­ len der Durchlass- und Sperrwirkung ein Ventil (6, 29) um­ fasst.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (5, 40) in dem zu­ mindest einen Kolben (2, 23) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das elastische Speicherreservoir (4, 30) derart ausgestaltet ist, dass ein Volumen des Übertra­ gungsmediums, das dem Druckraum (6, 26) zum Ausgleich zuge­ führt wird, im wesentlichen keine Änderung des statischen Druckes des Speicherreservoirs (4, 30) bewirkt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Speicherreservoir (4, 30) aus zwei ineinander angeordneten Metallbälgen (9, 10, 31, 32) aufgebaut ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (7, 8, 38, 39) zum Befül­ len der Vorrichtung mit dem Übertragungsmedium vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Mittel (7, 8, 38, 39) zum Befüllen der Vorrichtung in den Druckraum (6, 26) münden.