DE10046323A1 - Geschlossenes Hydrauliksystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein geschlossenes Hydrauliksystem, insbesondere ein hydraulisches Spielausgleichssystem, mit mindestens einem Zylinder (1) und einem Kolben (2, 3), die Führungsflächen und einen dazwischen liegenden Passungsspalt aufweisen. Um die zur Funktionstüchtigkeit erforderliche Entgasung des Passungsspalts rasch und gründlich zu bewerkstelligen, weist insbesondere die Führungsfläche (25, 26) des Kolbens (2, 3) feine Rillen (27) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein geschlossenes Hydrauliksystem, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei verschiedenen Antrieben besteht das Problem, dass zu de­ ren zuverlässigem Funktionieren eine definierte maximale Kon­ taktkraft bzw. ein minimales Spiel zwischen einem Aktor und einer angetriebenen Komponente eingehalten werden muss. Dies stellt insbesondere bei Piezoaktoren ein Problem dar, da die­ se zwar hohe Betätigungskräfte ermöglichen, die realisierba­ ren Aktorhübe jedoch sehr gering sind. Durch ein notwendiges Funktionsspiel zum Abdecken von temperaturbedingten Längenän­ derungen, Fertigungstoleranzen und Verschleißeinflüssen, ver­ liert man einen nicht vernachlässigbaren Anteil des Nutzhubs des Piezoaktors.

Durch ein Spielausgleichselement kann der Antrieb über dessen Lebensdauer spielfrei gehalten werden, so dass der gesamte Aktorhub immer als Nutzhub zur Verfügung steht.

Bei Common-Rail-Injektoren wurden schon eine Reihe von hyd­ raulischen Spielausgleichselementen untersucht, die als offe­ ne Systeme ausgeführt waren und Dieselkraftstoff (z. B. aus der Leckage) als Hydraulikfluid nutzten. Offene Systeme haben den Nachteil, dass eine gasfreie Befüllung des Übertragungs­ weges, die funktionsnotwendig ist, nicht unter allen Be­ triebsbedingungen sichergestellt werden kann.

Ein Spielausgleichselement, das als geschlossenes System aus­ geführt ist, weist diesen Nachteil nicht auf. Hierbei wird zur möglichst verlustfreien Übertragung des Piezoaktorhubs eine Zylinder-Kolben-Einheit eingesetzt, die ein bestimmtes Volumen an Hydraulikfluid einschließt. Zur Vermeidung von Leckage während der Bewegungsübertragung sind minimale Pas­ sungsspiele bei der Zylinder-Kolben-Einheit erforderlich.

Um eine gasfreie Füllung von geschlossenen Systemen zu errei­ chen, erfolgt deren Befüllung unter einem Unterdruck von ca. 10^-4 mbar. Die Entlüftung der sehr engen Passungsspalten über die gesamte Führungslänge ist schwer zu verwirklichen und er­ fordert eine lange Evakuierungsdauer.

Feine Rillen auf den Führungsflächen von Zylinder-Kolben- Systemen sind aus der WO 9949206 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine in einem Einspritzventilgehäuse (dem Zylinder) dicht geführte Einspritzventilnadel (dem Kolben), die zusam­ men ein offenes Hydrauliksystem bilden. Durch die auf der Führungsfläche der Ventilnadel angeordneten Mikrorillen soll eine gleichmäßige Druckverteilung im Passungsspalt erzielt werden, die eine Zentrierung der Einspritzventilnadel in dem Einspritzventilgehäuse bewirkt. Dadurch wird ein Verschleiß förderndes, einseitiges Anlegen der Einspritzventilnadel und eine erhöhte Leckage durch den einseitig vergrößerten Pas­ sungsspalt vermieden. Eine Entgasung des Passungsspalts ist bei diesem offenen System nicht erforderlich und im Gegensatz zu einem geschlossenen System auch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei geschlossenen Hydrauliksystemen, insbesondere bei Spielausgleichselementen, die Entgasung der Passungsspalte rasch und vollständig zu ge­ währleisten.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die feinen Rillen stellen Strömungskanäle dar, die zum raschen und vollständigen Abfließen der im Pas­ sungsspalt vorhandenen Gase dienen. Dadurch wird die für die vollständige Entgasung des Hydraulikfluids erforderliche Zeit deutlich gesenkt.

Die Entgasung eines geschlossenen hydraulischen Systems ge­ schieht durch Befüllen desselben unter einem Unterdruck von ca. 10^-4 mbar. Dadurch, dass sich die Rillen vorzugsweise ü­ ber die gesamte Länge der Führungsflächen erstrecken und auf diese Weise beide Enden der Rillen dem Unterdruck ausgesetzt sind, wird die Entgasungszeit weiter vermindert. Der Effekt des Druckausgleichs im Passungsspalt tritt beim Betreiben des geschlossenen hydraulischen Systems ebenfalls ein und wirkt sich auch hier Verschleiß und Leckage mindernd aus.

Die Parallelität der Rillen gestattet eine dichte Belegung der Führungsflächen mit denselben. Die Neigungswinkel zur Zy­ linderachse können zwischen 0° (= achsparallel) und 90° (= umfangsgerichtet) liegen.

Das von einer einzelnen Rille gebildete Feingewinde ist be­ sonders fertigungsfreundlich. Seine geringe Steigung von 0,3 mm wie seine bevorzugte Tiefe von 0,02 mm und Breite von 0,09 mm dienen der raschen Entgasung des Passungsspaltes und zugleich der langen Lebensdauer der Führungsflächen sowie der Minimierung der Leckage.

Die auf den Nenndurchmesser der Führungsflächen bezogene An­ gabe der Tiefe der Rillen trägt unterschiedlichen Abmessungen von geschlossenen Hydrauliksystemen Rechnung.

Zur Herstellung der Rillen können spanende Verfahren wie Feindrehen, Schleifen, Fräsen oder Verfahren der Bearbeitung mit Laser- oder Elektronenstrahlen angewendet werden.

Durch Feinbearbeitung vor und nach Einbringung der Rillen wird die Oberflächenqualität der Führungsflächen optimiert. Dazu eignen sich Verfahren wie Läppen oder Feinschleifen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentan­ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sowie aus der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung schema­ tisch dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein geschlossenes Spielaus­ gleichselement und

Fig. 2 einen Detailschnitt durch eine Führungsfläche mit Rillen.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung und/oder zum Spielausgleich, wobei eine Hub­ übersetzung mit integrierter Bewegungsumkehr vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Hydrauliksystem wird vorzugsweise bei einem Einspritzventil, insbesondere einem Dieseleinspritzven­ til eingesetzt, um die Auslenkung eines Aktors auf ein Stell­ glied zu übertragen. Als Stellglied ist beispielsweise Servo­ ventil oder eine Einspritznadel vorgesehen. Ein Zylinder 1 ist mit seinen beiden Planflächen 4 in ein Gehäuse, bei­ spielsweise ein Injektorgehäuse eingespannt. Zwei Kolben 2, 3, von denen der eine als ein Hohlkolben 2 und der andere als ein Hubkolben 3 ausgeführt ist, sind in dem Zylinder 1 einge­ setzt. Dabei läuft der Hohlkolben 2 in einer Führung 25 des Zylinders 1 und der Hubkolben 3 in einer entsprechenden Füh­ rung 26 des Hohlkolbens 2. Zwischen dem Hohlkolben 2 und dem Zylinder 1 bzw. zwischen dem Hohlkolben 2 und dem Hubkolben 3 sind Passungsspalte 24 ausgebildet, die die Form von Ring­ spalten aufweisen.

Ein Druckraum 6 wird von benachbarten Stirnflächen 22, 23 der ineinander angeordneten Kolben 2, 3 und der Führung des Zy­ linders 1 gebildet. In einem von Hohl- und Hubkolben 2, 3 aufgespannten Raum 17 ist eine Druckfeder 8 eingesetzt, über die eine Rückstellkraft aufgebracht wird. Für ein Übertra­ gungsmedium ist ein elastisches Speicherreservoir 10, das aus zwei ineinander geschobenen ersten und zweiten Metallbälgen 11, 12 aufgebaut ist, an einem Ende des Zylinders 1 angeord­ net. Am anderen Ende des Zylinders 1 ist ein Speicherraum 14 in Form eines dritten Metallbalges 13 vorgesehen, der den Hubkolben 3 nach außen hin abdichtet. Das Speicherreservoir 14 ist über einen zweiten Durchgang 16 des Hohlkolbens 2, den Federraum 17 und einen dritten Durchgang 20 des Hubkolbens 3 mit dem Druckraum 6 sowie mit den Passungsspalten 24 verbun­ den.

Der dritte Durchgang 20 des Hubkolbens 3 umfasst ein Ventil 9, das in Flussrichtung vom Federraum 17 zum Druckraum 6 öff­ net und in entgegengesetzter Richtung schließt. Der Speicher­ raum 14 ist über einen ersten Durchgang 15 mit dem Federraum 17 und den zweiten Durchgang 16 mit dem Speicherreservoir 10 verbunden. Zum Befüllen der Vorrichtung mit einem Übertra­ gungsmedium mit geringer Kompressibilität wie Hydraulikflüs­ sigkeit ist ein Befülldurchgang 18 mit einem Verschlussele­ ment 19 vorgesehen. Der Befülldurchgang ist von außen zum Druckraum 6 und zum Speicherraum 14 geführt.

Auf eine Stirnfläche 15 des Hohlkolbens 2 wird über einen (nicht dargestellten) Piezoaktor eine Druckkraft ausgeübt, wodurch der Hohlkolben 2 um den Hub des Piezoaktors nach un­ ten verschoben wird. In dem Druckraum 6 wird dadurch ein Druck aufgebaut, der den Hubkolben 3 entgegen der Bewegungs­ richtung des Hohlkolbens 2 anhebt. Die Stirnseite 7 des Hub­ kolbens 3 ist mit einem (nicht dargestellten) zu betätigenden Element, wie einem Steuerventil, verbunden. Durch diese Bewe­ gung des Hubkolbens 3 wird somit das Steuerventil geöffnet. Die Rückstellkraft wird durch die Feder 8 aufgebracht, die bei nicht angesteuertem Piezoaktor sowohl die Dichtkraft am Steuerventil als auch die Kontaktkraft am Piezoaktor bewirkt. Über das federbelastete Ventil 9 wird die Menge Übertragungs­ medium aus dem Speicherreservoir 10 nachgefördert, die bei Ansteuerung des Piezoaktors über die Ringspalte 24 aus dem Druckraum 6 als Leckage entweicht. Der erste und zweite Me­ tallbalg 11, 12 des Speicherreservoirs 10 übernehmen vorzugs­ weise keine Federfunktion.

Für eine verlustfreie Kraft-Weg-Übertragung ist eine gasfreie Befüllung des gesamten Innenraums mit dem Übertragungsmedium erforderlich. Dazu findet die Befüllung bei einem Unterdruck von ca. 10^-4 mbar über den Befülldurchgang 18 statt. Die Ent­ gasung des Speicherreservoirs 10, des Federraums 17, des ers­ ten Durchgangs 15, des Druckraums 6 und des Speicherraums 14 bereitet keine Schwierigkeiten, da es sich hierbei um größere Volumina mit entsprechenden Querschnitten handelt. Schwierig sind die engen Passungsspalte 24 zu entgasen. Deshalb sind die Führungsfläche 25 des Hohlkolbens 2 und/oder die Füh­ rungsfläche 24 des Hubkolbens 3 und/oder die Führungsfläche des Zylinders 1, die dem Hohlkolben 2 zugeordnet ist, mit ei­ ner einzelnen Rille 27 versehen, die jeweils ein flachgängi­ ges Feingewinde bildet. Dieses Feingewinde ist in Fig. 2 stark vergrößert dargestellt. Seine Steigung s beträgt 0,3 mm, seine Tiefe t 0,02 mm und seine Breite b 0,09 mm. Die Rillen 27 dienen der raschen und vollständigen Entgasung der Dichtspalten 24 beim Befüllen des Spielausgleichselements mit Hydraulikfluid. Zugleich bewirken diese eine gleichmäßige Druckverteilung im Passungsspalt 24 beim Betrieb des Spiel­ ausgleichselements. Dadurch sind der Hohlkolben 2 und der Hubkolben 3 in ihren Führungen zentriert und haben keine Wandberührung. Auf diese Weise werden Verschleiß und Leckage minimiert.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Rillen auf den Führungsflächen angeordnet. Die Rille oder die Rillen können unterschiedliche Neigungswinkel zur Zylinderachse 21 aufweisen.

Vorzugsweise sind mehrere Rillen parallel zueinander angeord­ net.

Eine bevorzugte Ausbildungsform einer Rille besteht in einem flachgängigen Feingewinde, das eine Steigung s von 0,2 bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,3 mm aufweist. Die Tiefe t der Rille 27 beträgt 0,01 bis 0,01 mm, vorzugsweise 0,02 mm.

Vorzugsweise liegt das Verhältnis aus Tiefe t der Rille 27 zu einem Nenndurchmesser D der Führungsflächen 25, 26 zwischen 1/200 und 1/1000.

Die Breite B der Rille 27 beträgt 0,07 bis 0,3 mm, vorzugs­ weise 0,09 mm.

Claims (10)

1. Hydrauliksystem, insbesondere ein hydraulisches Spiel­ ausgleichssystem, mit mindestens einem Zylinder (1) und einem Kolben (2, 3), die Führungsflächen und einen dazwischen lie­ genden Passungsspalt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrauliksystem abgeschlossen ist und dass die Füh­ rungsfläche (25, 26) des Kolbens (2, 3) und/oder des Zylin­ ders (1) mindestens eine Rille (27) aufweist.

2. Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rillen (27) vorzugsweise über die gesamte Länge der Führungsflächen (25, 26) erstrecken.

3. Hydrauliksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Rillen (27) parallel zueinander und mit einem festgelegten Neigungswinkel zur Zylinderachse (21) an­ geordnet sind.

4. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass eine einzelne Rille (27) vorgese­ hen ist, die ein flachgängiges Feingewinde bildet.

5. Hydrauliksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feingewinde eine Steigung (s) von 0,2 bis 1 mm, vor­ zugsweise 0,3 mm aufweist.

6. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der Rille (27) 0,01 bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,02 mm beträgt.

7. Hydrauliksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Tiefe (t) der Rille (27) zum Nenn­ durchmesser (D) der Führungsflächen (25, 26) zwischen 1/200 und 1/1000 liegt.

8. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Rille (27) 0,05 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,09 mm beträgt.

9. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass die Rillen (27) durch spanende o­ der Strahlbearbeitung hergestellt sind.

10. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die Führungsflächen (25, 26) gege­ benenfalls vor und nach Einbringung der Rillen (27) einer Feinbearbeitung unterzogen sind.