DE10141135A1 - Hydraulic valve with smooth piezoelectric actuation, for anti-skid vehicle braking system, includes resiliently-deformable thrust transmission system - Google Patents
Hydraulic valve with smooth piezoelectric actuation, for anti-skid vehicle braking system, includes resiliently-deformable thrust transmission systemInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere für hydrau lische Kraftfahrzeug-Bremsanlagen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a valve, in particular for hydraulic lische automotive braking systems, according to the preamble of Claim 1.
Es ist bereits ein Ventil mit Piezoantrieb aus der DE 199 46 827 C1 bekannt, das zum Steuern von Flüssigkeiten ein Ven tilglied mit einem Stellkolben und einem Betätigungskolben aufweist. Zwischen dem Stellkolben und dem Betätigungskolben befindet sich eine als hydraulischer Koppler arbeitende Hy draulikkammer, die auf einen Ringkolben und den Betätigungs kolben wirkt. Durch die unterschiedlich großen Stirnflächen des Ringkolbens und des Betätigungskolbens ergibt sich eine gestufte Übersetzung des vom Piezoantrieb initiierten Hubs.It is already a valve with a piezo actuator from DE 199 46 827 C1 known that a Ven valve member with an actuating piston and an actuating piston having. Between the actuating piston and the actuating piston there is a Hy working as a hydraulic coupler Draulikkammer, on an annular piston and the actuation piston works. Due to the different sized end faces of the ring piston and the actuating piston results in a graded translation of the stroke initiated by the piezo drive.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Ventil der ein gangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß unter Einhaltung eines relativ einfachen, miniaturisierten Aufbaus ein Übersetzungssprung vermieden wird. Das Ventil soll fer ner universell einsetzbar sein und eine möglichst gute, ein fache Innenabdichtung aufweisen.Therefore, it is the object of the invention to provide a valve gangs mentioned kind to improve that under Adherence to a relatively simple, miniaturized structure a translation jump is avoided. The valve should fer be universally applicable and the best possible one have a multiple internal seal.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben für ein Ventil der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. According to the invention, these tasks for a valve type mentioned above by the characteristic features of claim 1 solved.
Durch die in den Unteransprüchen aufgezeigten Maßnahmen sind zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung angegeben, die im Zu sammenhang mit den weiteren Merkmalen und Vorteilen der Er findung nachfolgend anhand zweier Zeichnungen gemäß den Fig. 1 und 2 näher dargestellt und erläutert werden.The measures set out in the subclaims provide expedient embodiments of the invention, which are shown and explained in connection with the other features and advantages of the invention based on two drawings according to FIGS . 1 and 2.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung für ein in Grundstellung geöffnetes Ventil, Fig. 1 shows a first embodiment of the invention for an open in the basic position valve,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung für ein in Grundstellung geschlossenes Ventil. Fig. 2 shows a second embodiment of the invention for a valve closed in the basic position.
Nachfolgend werden zunächst alle wesentlichen Merkmale der Erfindung herausgestellt, die auf beide Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 zutreffen.All the essential features of the invention which apply to both exemplary embodiments of FIGS. 1 and 2 are first highlighted below.
Beide Ventile nach Fig. 1, 2 haben einen in einem Ventilge häuse 5 geführten Ventilstößel 4, der an einem Ende ein Ven tilschließglied 6 aufweist. Das Ventilschließglied 6 ist ei nem im Ventilgehäuse 5 integrierten Ventilsitz 7 zugewandt, wobei das Ventilschließglied 6 mittels eines Piezoelements 1 mittelbar betätigt wird. Hierzu ist erfindungsgemäß zwischen dem Piezoelement 1 und dem Ventilstößel 4 ein erstes als auch ein zweites Kraftübertragungselement 2, 3 angeordnet, wobei das erste Kraftübertragungselement 2 aus einem Werk stoff hoher Festigkeit besteht, das bei elektrischer Akti vierung des Piezoelements 1 das zweite Kraftübertragungsele ment 3 elastisch verformt und es in Richtung auf den Ven tilstößel 4 bewegt. Zur mechanischen Übersetzung der Piezo bewegung in Richtung des Ventilstößels 4 ist die an der Stirnfläche des Ventilstößel 4 anliegende Kontaktfläche A2 des zweiten Kraftübertragungselements 3 kleiner als die am ersten Kraftübertragungselement 2 anliegende Kontaktfläche A3 des zur stufenlosen Übersetzung elastisch verformbaren zweiten Kraftübertragungselementes 3. Gleichzeitig ermög licht die eingangs erwähnte Konstruktion, daß das zweite Kraftübertragungselement 3 den hydraulisch beaufschlagten Innenbereich des Ventilgehäuses 5 gegenüber dem trockenen Innenbereich des Ventilgehäuses 5 auf einfache und absolut sichere Weise abdichtet, wozu das zweite Kraftübertragungse lement 3 vorteilhaft aus einem Elastomer, z. B. aus handels üblichem Gummi, oder einem Silikon besteht. Das zweite Kraftübertragungselement 3 läßt sich besonders einfach durch die Wahl der Einstelltiefe des Piezoelements 1 im Ventilge häuse 5 vorspannen, um die erforderliche Dichtwirkung des zweiten Kraftübertragungselements 3 als auch die gewünschte Grundeinstellung des Ventilstößels 4 zu realisieren. Hierzu stützt sich das Piezoelement 1 mit seiner vom ersten Kraftübertragungsglied 2 abgewandten Stirnfläche an einem das Ventilgehäuse 5 verschließenden Deckel 8 ab, der zur Einstellung des Piezoelements 1 im Ventilgehäuse 5 ver schiebbar ist. Nach dem Abschluß des Einstellvorgangs wird der Deckel 8 beispielsweise mit dem Hülsenabschnitt des Ven tilgehäuses 5 verschweißt. Selbstverständlich sind auch kraft- und/oder formschlüssige Arretierungsmöglichkeiten für den Deckel 8 denkbar. Das Piezoelement 1 ist als Piezoblock in Stapelbauweise ausgeführt, und das erste Kraftübertra gungselement 2 ist als entlang der Innenwandung des Ventil gehäuses 5 geführter Kolben ausgebildet, der an dem als Kis sen gestalteten zweiten Kraftübertragungselement 2 anliegt. Der vorgeschlagene Aufbau des Ventils ermöglicht überdies in der geschlossenen Grundstellung des Ventilschließgliedes 6 eine Sensierung des an ihm anstehenden hydraulischen Drucks, da über die beiden Kraftübertragungselemente 2, 3 eine hy draulische Rückwirkung auf das Piezoelement 1 erfolgt, des sen aus der mechanischen Druckbeanspruchung resultierende elektrische Spannungänderung mittels einer elektronischen Auswerteeinheit in einen Druckwert umgerechnet werden kann.Both valves according to Fig. 1, 2 have a housing having in a Ventilge 5 guided valve stem 4 which at one end a tilschließglied Ven. 6 The valve closure member 6 facing ei nem integrated in the valve housing 5 valve seat 7, the valve closure member 6 is indirectly actuated by means of a piezo element. 1 For this purpose, according to the invention, a first and a second force transmission element 2 , 3 are arranged between the piezo element 1 and the valve tappet 4 , the first force transmission element 2 consisting of a high-strength material which, when electrically actuating the piezo element 1, the second force transmission element 3 is elastic deformed and it moves towards the Ven tilstößel 4 . For mechanical translation of the piezoelectric movement in the direction of valve stem 4 is the voltage across the face of the valve slide 4 contact area A2 of the second force transmitting member 3 is smaller than that applied to the first power transmission member 2 contact surface A3 of the continuously-variable transmission elastically deformable second force transmission element. 3 At the same time enables the above-mentioned construction, that the second force transmitting member 3 seals the hydraulically applied inside area of the valve housing 5 relative to the dry inside area of the valve housing 5 in a simple and absolutely safe way, for which purpose the second Kraftübertragungse lement 3 advantageously made of an elastomer such. B. made of commercially available rubber, or a silicone. The second force transmission element 3 can be particularly easily pretensioned by the choice of the setting depth of the piezo element 1 in the Ventilge housing 5 in order to realize the required sealing effect of the second force transmission element 3 and the desired basic setting of the valve tappet 4 . For this purpose, the piezoelectric element 1 5 closing lid 8 is supported with its side remote from the first force transmitting member 2 from the end face of a valve body which is slidably ver for adjusting the piezoelectric element in the valve housing 1. 5 After the completion of the adjustment process, the lid 8 is welded to the sleeve portion of the Ven tilgehäuses 5 , for example. Of course, non-positive and / or positive locking options for the cover 8 are also conceivable. The piezoelectric element 1 is configured as a piezo block in a stacked construction, and the first operating power supply element 2 is formed as along the inner wall of the valve housing 5 controlled piston, the designed in the sen as Kis second power transmission member 2 is present. The proposed structure of the valve also allows in the closed basic position of the valve closing member 6 to sense the hydraulic pressure applied to it, since the two force transmission elements 2 , 3 cause a hy draulic reaction to the piezo element 1 , the sen resulting from the mechanical pressure stress electrical voltage change can be converted into a pressure value by means of an electronic evaluation unit.
Nachfolgend werden nunmehr die abgebildeten weiteren Details des Ventils nach Fig. 1 beschrieben.The illustrated further details of the valve according to FIG. 1 are now described below.
Das Ventil nach Fig. 1 zeigt ein aus zwei abschnittsweise ineinander gefügte Gehäusehülsen 5a, 5b bestehendes Ventil gehäuse 5, die mittels einer Schweißverbindung 9 miteinander im Fügebereich verbunden sind. Die untere Gehäusehülse 5b ist als gestufter Gehäusetopf ausgeführt, dessen nach außen rechtwinklig abgekröpfter Rand 10 in der gestuften Aufnahme bohrung 11 eines blockförmigen Ventilträgers 12 eingestemmt ist. Dieser Gehäusetopf weist an seinem Boden einen erste Druckmittelöffnung 15 mit dem beispielsweise im Prägeverfah ren hergestellten Ventilsitz 7 auf. Mittels einer zwischen dem gestuften Ventilstößel 5 und dem Boden eingespannte Druckfeder 13 befindet sich das halbkugelförmige Ventil schließglied 6 in seiner vom Ventilsitz 7 abgehobenen Grund stellung. Der Ventilstößel 4 ist abschnittsweise entlang seinem Schaft in der unteren als auch in der oberen Gehäuse hülse 5b, 5a geführt, wozu die koaxial zueinander ausgerich teten beiden Ventilhülsen 5a, 5b abschnittsweise an den Au ßendurchmesser des Ventilstößels 4 angepaßt sind. Deshalb schließt sich am Boden der oberen Gehäusehülse 5a ein im In nendurchmesser an den Außendurchmesser des Ventilstößels 4 angepaßter Hülsenvorsprung 14 an, in den sich gleichfalls das elastische Kraftübertragungselement 2 bis auf die Stirn fläche des Ventilstößels 4 erstreckt. Auf dem elastischen Kraftübertragungselement 3 befindet sich das als Platte, Scheibe oder Kolben ausgeführte steife Kraftübertragungsele ment 2, so daß das elastische Kraftübertragungselement 3 nach Art einer Gummi-Reaktionsscheibe zwischen dem ersten Kraftübertragungselement 2 und dem Boden der Gehäusehülse 5a eingespannt ist. Dies führt beim Anlegen einer Spannung an das Piezoelement 1 zur Erzeugung einer Verstellkraft, die auf das steife Kraftübertragungselement wirkt, wodurch sich die Masse des elastischen Kraftübertragungselements 3 in Richtung des geringsten mechanischen Widerstands weiter in die Öffnung des Hülsenvorsprungs 14 verformt, um den Ven tilstößel 4 entgegen der Wirkung der nachgiebigen Druckfeder 13 stetig in Richtung des Ventilsitzes 7 zu bewegen. Der in itiierte minimale Piezohub wird dann im Verhältnis der kraftbeaufschlagten Stirnflächen A2, A3 am zweiten Kraftübertragungselement 3 im Sinne eines vergrößerten Ven tilstößelhubs übersetzt, weshalb die am Hülsenvorsprung 14 gelegene Stirnfläche A2 des zweiten Kraftübertragungsele ments 3 wesentlich kleiner ist als die vom ersten Kraftüber tragungselement 2 beaufschlagte Stirnfläche A3 des zweiten Kraftübertragungselements 3.The valve according to Fig. 1 shows a sections of two mutually joined housing sleeves 5 a, 5 b existing valve housing 5, which are connected by a welded joint 9 to each other in the joining region. The lower housing sleeve 5 b is designed as a stepped housing pot, the edge 10 bent to the outside at right angles in the stepped receiving bore 11 of a block-shaped valve carrier 12 is caulked. This housing pot has on its bottom a first pressure medium opening 15 with the valve seat 7 produced, for example, in the embossing process. By means of a compression spring 13 clamped between the stepped valve tappet 5 and the bottom, the hemispherical valve closing member 6 is in its basic position lifted from the valve seat 7 . The valve tappet 4 is guided in sections along its shaft in the lower and in the upper housing sleeve 5 b, 5 a, for which purpose the two valve sleeves 5 a, 5 b coaxially aligned with one another are adapted in sections to the outer diameter of the valve tappet 4 . Therefore, at the bottom of the upper housing sleeve 5 a an in in diameter to the outer diameter of the valve lifter 4 adapted sleeve projection 14 , in which the elastic force transmission element 2 extends to the end face of the valve lifter 4 . On the elastic power transmission element 3 is the plate, disc or piston executed stiff force transmission element 2 , so that the elastic force transmission element 3 is clamped in the manner of a rubber reaction disc between the first force transmission element 2 and the bottom of the housing sleeve 5 a. This leads when a voltage is applied to the piezo element 1 to generate an adjusting force which acts on the rigid force transmission element, as a result of which the mass of the elastic force transmission element 3 is further deformed in the direction of the least mechanical resistance into the opening of the sleeve projection 14 to the valve tappet 4 against the action of the resilient compression spring 13 to move continuously in the direction of the valve seat 7 . The initiated minimum piezo stroke is then translated in the ratio of the force-applied end faces A2, A3 on the second force transmission element 3 in the sense of an enlarged Ven tilstößelhubs, which is why the end face A2 located on the sleeve projection 14 of the second force transmission element 3 is significantly smaller than that of the first force transmission element 2 end face A3 of the second force transmission element 3 .
Mit dem Anliegen des Ventilschließgliedes 6 am Ventilsitz 7 ist zwangsläufig die Druckmittelverbindung zwischen der im Boden der Gehäusehülse 5b angeordneten Druckmittelöffnung 15 und der oberhalb des Ventilschließgliedes 6 in der Gehäuse wandung angeordneten zweiten Druckmittelöffnung 16 unterbro chen.With the concern of the valve closure member 6 against the valve seat 7, the pressure medium connection is necessarily in the bottom of the housing sleeve 5 b arranged pressure-medium aperture 15 and the wall above the valve closure member 6 in the housing disposed second pressure medium port 16 unterbro chen between.
Anstelle der Verwendung des elastischen Kraftübertragungse lements 3 wäre zwar auch eine Verwendung einer Flüssigkeits füllung, z. B. Silikonöl o. dgl. denkbar, allerdings würde dies an den Grenzflächen der Flüssigkeit eine Abdichtmaßnah men im Ventilgehäuse 5 erfordern, um ein Flüssigkeitsverlust und/oder eine Vermischung unterschiedlicher Flüssigkeiten zu verhindern.Instead of using the elastic force transmission element 3 would also be a use of a liquid filling, for. As silicone oil or the like. Conceivable, however, this would require a sealing measure in the valve housing 5 at the interfaces of the liquid in order to prevent loss of liquid and / or mixing of different liquids.
Das Ventilgehäuse 5 und der Deckel 8 sind durch Tiefziehen von Dünnblech einfach in der abgebildeten Kontur herge stellt.The valve housing 5 and the cover 8 are simply Herge by drawing of thin sheet in the contour shown.
Die Fig. 2 zeigt abweichend von Fig. 1 ein in Grundstel lung geschlossenes Ventil, was konstruktiv auf verblüffend einfache Weise durch geringfügige konstruktive Veränderungen des in Fig. 1 vorgestellten Ventils realisiert ist. Hierzu kann die aus Fig. 1 bekannte Anordnung des Ventilstößels 4, der beiden Kraftübertragungselemente 2, 3 und des Piezoele ments 1 auch für das Ventil nach Fig. 2 beibehalten werden. Auch der Deckel 8 kann von Fig. 1 identisch übernommen wer den. Es ändert sich lediglich geringfügig die Anordnung der Druckfeder 13 und der durch Tiefziehen hergestellte Hülsen vorsprung 14, der nunmehr in umgekehrter Richtung auf die im ersten Kraftübertragungselement 2 eingesetzte Druckfeder 13 gerichtet ist. Hierzu ist das erste Kraftübertragungselement 2 als Kolben mit einer zentralen Sackbohrung 18 versehen, deren Bohrungsdurchmesser an den Außendurchmesser des Stö ßelkragens 17 angepaßt ist, auf dem sich die Druckfeder 13 abstützt. Der Ventilstößel 4 besteht aus einer Hülse, dessen zu einem Stößelkragen 17 um 180 Grad abgekröpftes Ende auf einer kleinen Ringstirnfläche des zweiten Kraftübertragung selements 3 anliegt, während das auf den Ventilstößel 4 ge richtete Windungsende der Druckfeder 13 auf dem Außenradius der Abkröpfung ruht. Beim elektrischen Bestromen des Piezo elements 1 führt dessen geringfügige Expansion zu einem si multanen Hub des ersten Kraftübertragungselements 2 in Rich tung des elastischen Kraftübertragungselements 3, dessen Masse infolge der Einbettung im starren Ventilgehäuse 5 aus schließlich in Richtung des von der Druckfeder 13 vorge spannten Stößelkragens 17 ausweichen kann, so daß durch die Verformung des Kraftübertragungselements 3 in Richtung des Stößelkragens 17 das Ventilschließglied 6 am Ventilstößel 4 von seinem Ventilsitz 7 abhebt und damit die Druckmittelver bindung innerhalb des Ventils freigibt. Damit wird auch beim Ventil nach Fig. 2 der initiierte minimale Piezohub im Ver hältnis der beaufschlagten Stirnflächen am zweiten Kraftübertragungselement 3 im Sinne eines vergrößerten Ven tilstößelhubs übersetzt, weshalb die im Hülsenvorsprung 14 in Richtung des Stößelkragens 17 verformbare Ringstirnfläche des zweiten Kraftübertragungselements 3 wesentlich kleiner ist als die vom ersten Kraftübertragungselement 2 beauf schlagte Ringstirnfläche des zweiten Kraftübertragungsele ments 3. Fig. 2 is different from Fig. 1 in a basic Stel lung closed valve, which is structurally realized in a surprisingly simple way by minor structural changes of the presented in FIG. 1 valve. For this purpose, the arrangement known from FIG. 1 of the valve tappet 4 , the two force transmission elements 2 , 3 and the piezoelectric element 1 can also be retained for the valve according to FIG. 2. The cover 8 can be taken from Fig. 1 who the identical. It changes only slightly the arrangement of the compression spring 13 and the sleeve projection 14 produced by deep drawing, which is now directed in the opposite direction to the compression spring 13 used in the first force transmission element 2 . For this purpose, the first force transmission element 2 is provided as a piston with a central blind bore 18 , the bore diameter of which is adapted to the outer diameter of the tappet collar 17 on which the compression spring 13 is supported. The valve tappet 4 consists of a sleeve, the end of which is bent to a tappet collar 17 by 180 degrees on a small annular end face of the second power transmission element 3 , while the ge directed on the valve tappet 4 winding end of the compression spring 13 rests on the outer radius of the offset. When electrically energizing the piezo element 1 , its slight expansion leads to a multane stroke of the first force transmission element 2 in the direction of the elastic force transmission element 3 , the mass of which, due to the embedding in the rigid valve housing 5 , finally in the direction of the plunger collar 17 biased by the compression spring 13 can dodge, so that by the deformation of the force transmission element 3 in the direction of the tappet collar 17, the valve closing member 6 on the valve tappet 4 lifts from its valve seat 7 and thus releases the Druckmittelver connection within the valve. Thus, it is the initiated minimum piezoelectric stroke in comparison ratio of the applied end faces at the second force transmission element 3 also translated tilstößelhubs in valve of FIG. 2 in the sense of an enlarged Ven why the deformable in the sleeve projection 14 in the direction of the plunger collar 17 annular front surface of the second force transmitting member 3 is substantially smaller than the beauf from the first power transmission member 2 as estimated annular end surface of the second Kraftübertragungsele ments. 3
Soweit nicht auf alle in Fig. 2 abgebildeten Details ein gegangen wurde, entsprechen diese dennoch der Beschreibung des Gegenstands nach Fig. 1. Unless all the details shown in FIG. 2 have been addressed, these nevertheless correspond to the description of the object according to FIG. 1.
11
Piezoelement
piezo element
22
Kraftübertragungselement
Power transmission element
33
Kraftübertragungselement
Power transmission element
44
Ventilstößel
tappet
55
Ventilgehäuse
valve housing
66
Ventilglied
valve member
77
Ventilsitz
valve seat
88th
Deckel
cover
99
Schweißverbindung
welded joint
1010
Rand
edge
1111
Aufnahmebohrung
location hole
1212
Ventilträger
valve
1313
Druckfeder
compression spring
1414
Hülsenvorsprung
sleeve projection
1515
Druckmittelöffnung
Pressure center opening
1616
Druckmittelöffnung
Pressure center opening
1717
Stößelkragen
tappet collar
1818
Sackbohrung
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