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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine hydraulische Übertragungsvorrichtung,
die zum Übertragen
einer Verschiebung Öldruck
verwendet, und sie bezieht sich insbesondere auf eine hydraulische Übertragungsvorrichtung,
die die Verschiebung verstärkt
und überträgt. Diese
Vorrichtungen können
bevorzugterweise in Dieselkraftmaschinen-Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen
verwendet werden, um als Antriebsabschnitt für das Steuerventil zu dienen,
das die Kraftstoffeinspritzung steuert.
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In
diesen Dieselkraftmaschinen-Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen ist für alle Zylinder
eine einzige Common-Rail vorgesehen, die Hochdruckkraftstoff sammelt.
Die Injektoren werden alle bei einer vorbestimmten Zeitgebung aktiviert,
sodass sie in jeden Zylinder eine vorbestimmte Menge von Kraftstoff
einspritzen. Ein Beispiel eines geeigneten Injektors für ein Common-Rail-System
ist ein Piezoinjektor, der ein Piezostellglied als Antriebsabschnitt
verwendet. Piezoinjektoren zeigen exzellente Ansprecheigenschaften
auf und es wird von ihnen erwartet, dass sie ein hohes Kraftstoffeinspritzsteuerungsniveau
bereitstellen. Der Piezostellgliedantriebsabschnitt weist typischerweise
eine hydraulische Übertragungsvorrichtung
auf, die Öldruck
zum Übertragen
der Verschiebung des Piezostellglieds verwendet. Da die Verschiebung
des Piezostellglieds außerdem
sehr klein ist, wurden zudem hydraulische Übertragungsvorrichtungen vorgeschlagen,
die die Verschiebung während
der Übertragung
vergrößern.
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Beispiele
von hydraulischen Übertragungsvorrichtungen,
die die Stellgliedverschiebung vergrößern und übertragen, sind beispielsweise
in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-115617, U.S.
Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002- 0104976 und U.S. Patentoffenlegungsschrift
Nr. 2003-0155540 offenbart. In diesen Vorrichtungen sind ein großdurchmessriger
Kolben und ein kleindurchmessriger Kolben in einem abgestuften Zylinder
aufgenommen. Unter Verwendung der hydraulischen Übertragung zwischen diesen
Kolben mit unterschiedlichen Querschnittsflächen wird die Verschiebung
des Piezostellglieds vergrößert.
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Ein
Beispiel eines Piezoinjektors mit einer hydraulischen Übertragungsvorrichtung
zum Vergrößern und Übertragen
der Stellgliedsverschiebung ist in 6 der
vorliegenden Anmeldung gezeigt. In 6 sind
ein großdurchmessriger
Piezokolben 62 und ein kleindurchmessriger Ventilkolben 64 koaxial unterhalb
eines Piezostapels 61 angeordnet. Die Kolben sind in der
Lage, in einem Zylinder 5 zu gleiten. In dem Zylinder 5 ist
an einem abgestuften Abschnitt zwischen dem Piezokolben 62 und
dem Ventilkolben 64 eine öldichte Kammer 63 vorgesehen.
Der Ventilkolben 64 ist mit einer Ventilnadel 1 eines
Dreiwegeventils in Kontakt, das die Verbindungen zwischen einer
Steuerkammer 4, die wiederum einen Rückdruck auf eine Düsennadel 3 ausübt, und
entweder einem Hochdruckdurchlass 15 oder einem Niederdruckdurchlass 16 öffnet und
schließt.
Die Figur zeigt einen Zustand, in dem kein Strom durch den Piezostapel 61 fließt und die
Ventilnadel 1 in ihrer obersten Stellung auf einem ersten
Sitz 22 aufsitzt. Die Steuerkammer 4 ist über einen
Durchlass 25, eine Ventilkammer 21 und eine Blende 24 an
dem Hochdruckdurchlass 15 angeschlossen und ist zudem über eine Nebenblende 41 an
dem Hochdruckdurchlass 15 angeschlossen und steht folglich
unter einem hohen Druck. An diesem Punkt befindet sich die Düsennadel 3 in
ihrer untersten Stellung und eine Einspritzöffnung 34 ist geschlossen.
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Wenn
bei dieser Struktur auf den Piezostapel 61 ein Strom aufgebracht
wird, wird der Piezokolben 62 nach unten verschoben. Die
sich daraus ergebende Druckerhöhung
innerhalb der öldichten
Kammer 63 lässt
den Ventilkolben 64 nach unten drücken. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Verschiebung in Übereinstimmung
mit dem Durchmesserunterschied zwischen dem Piezokolben 62 und
dem Ventilkolben 64 verstärkt. Dies lässt die Ventilnadel 1 von
dem ersten Sitz 22 nach unten weg bewegen, bis sie auf
einem zweiten Sitz 23 aufsitzt. Als ein Ergebnis wird die
Verbindung zwischen der Steuerkammer 4 und dem Hochdruckdurchlass 15 geschlossen
und stattdessen ist die Steuerkammer 4 mit einem Niederdruckdurchlass 16 verbunden.
Dementsprechend fällt
der Druck innerhalb der Steuerkammer 4 auf einen Niederdruck
ab, die Düsennadel 3 fängt damit
an, sich anzuheben, und zwischen einer Kraftstoffsammelkammer 32 und
einem Sack 33 wird eine Verbindung hergestellt, die den
Kraftstoff von der Einspritzöffnung 34 einspritzen
lässt.
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Da
in der vorgenannten Struktur jedoch sowohl der Piezokolben 62 als
auch der Ventilkolben 64 eine bestimmte Gleitlänge benötigen, nimmt
die Gesamtlänge
der hydraulischen Übertragungsvorrichtung
zu. Als ein Ergebnis nimmt auch die Länge des Injektors zu.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gesamtlänge einer
zum Übertragen
der Verschiebung eines Stellglieds verwendeten Vorrichtung innerhalb
eines Dieselkraftmaschinen-Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems
oder dergleichen zu reduzieren, um dadurch einen kompakteren Injektor
bereitzustellen, der ein Stellglied aufnimmt.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine hydraulische Übertragungsvorrichtung
geschaffen, die ein Stellglied aufweist, das eine Verschiebung erzeugt,
wenn es erregt ist, die einen ersten Kolben aufweist, der einstückig mit dem
Stellglied verschoben wird, und die einen zweiten Kolben aufweist,
der dem ersten Kolben mit einer dazwischen angeordneten öldichten
Kammer gegenüberliegt,
in der die Verschiebung des Stellglieds hydraulisch auf den zweiten
Kolben übertragen
wird. Bei dieser Konfiguration hat einer von dem ersten und dem
zweiten Kolben eine zylindrische Gestalt mit einem geschlossenen
Ende, wobei der zylindrische Abschnitt über die Außenseite eines zylindrischen Zylinders
gepasst ist, der an einem Gehäuse
gesichert ist. Der andere Kolben ist in den zylindrischen Zylinder
eingesetzt, sodass der erste und der zweite Kolben entlang der Innen-
bzw. Außenumfangsfläche des
zylindrischen Zylinders frei gleiten. Der durch den zylindrischen
Abschnitt, den zylindrischen Zylinder und den anderen Kolben eingeschlossene
Raum ist mit einem Hydrauliköl
gefüllt
und dient als die vorstehend erwähnte öldichte
Kammer.
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Mit
dieser Struktur sind der bewegliche erste und der bewegliche zweite
Kolben so positioniert, sodass sie entlang der Innen- und Außenumfangsflächen des
festen zylindrischen Zylinders gleiten, wobei sich die beiden Gleitbereiche überlappen.
Folglich kann die Länge
eines jeden Kolbens beibehalten werden, während die gesamte Länge (in
der Axialrichtung) der Vorrichtung verkürzt ist. Dementsprechend ist
verglichen mit einer herkömmlichen
Struktur, in der die ersten und zweiten Kolben entlang einer einzelnen
geraden Linie positioniert sind, die Gesamtlänge der hydraulischen Übertragungsvorrichtung
reduziert, wodurch es ermöglicht
wird, einen kompakteren Injektor herzustellen.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine hydraulische Übertragungsvorrichtung
geschaffen, die ein Stellglied aufweist, das eine Verschiebung erzeugt,
wenn es erregt ist, die einen großdurchmessrigen Kolben aufweist, der
einstückig
mit dem Stellglied verschoben wird, und die einen kleindurchmessrigen
Kolben aufweist, der dem großdurchmessrigen
Kolben mit einer dazwischen angeordneten öldichten Kammer zugewandt ist,
in der die Verschiebung des Stellglieds hydraulisch vergrößert und
auf den kleindurchmessrigen Kolben übertragen wird. Bei dieser
Konfiguration hat der großdurchmessrigen
Kolben eine zylindrische Gestalt mit einem geschlossenen Ende, wobei der
zylindrische Abschnitt über
die Außenseite
eines an ein Gehäuse
gesicherten zylindrischen Zylinders gepasst ist. Der kleindurchmessrige
Kolben ist in den zylindrischen Zylinder eingesetzt, sodass der
großdurchmessrige
Kolben und der kleindurchmessrige Kolben entlang der Außen- bzw.
Innenumfangsflächen
des zylindrischen Zylinders frei gleiten. Der durch den zylindrischen
Abschnitt des großdurchmessrigen
Kolben, den zylindrischen Zylinder und den kleindurchmessrigen Kolben
eingeschlossene Raum ist mit einem Hydrauliköl gefüllt und dient als die vorstehend
erwähnte öldichte
Kammer.
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Bei
dieser Struktur sind die beweglichen großdurchmessrigen und kleindurchmessrigen
Kolben so positioniert, dass sie entlang der Außen- und Innenumfangsflächen des
feststehenden zylindrischen Zylinders gleiten, wobei sich die beiden
Gleitbereiche überlappen.
Folglich kann die Länge
eines jeden Kolbens beibehalten werden, während die gesamte Länge (in
der Axialrichtung) der Vorrichtung verkürzt ist. Dementsprechend ist
verglichen mit einer herkömmlichen
Struktur, in der der großdurchmessrige
Kolben und der kleindurchmessrige Kolben entlang einer einzelnen
geraden Linie positioniert sind, die Gesamtlänge der hydraulischen Übertragungsvorrichtung
reduziert. Außerdem
kann durch Verwendung einer Kombination von Kolben mit unterschiedlichen
Durchmessern die Verschiebung des großdurchmessrigen Kolbens bei
der Übertragung auf
den kleindurchmessrigen Kolben vergrößert werden. Folglich kann,
wenn diese Bauart einer hydraulischen Übertragungsvorrichtung auf
einen Injektor oder dergleichen angewendet wird, die Verschiebung des
Stellglieds wirkungsvoll vergrößert werden,
wodurch selbst mit einer kompakteren Struktur die notwendige Verschiebung
erreicht werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind der geschlossene
Endabschnitt und der zylindrische Abschnitt des Zylinders mit einem
geschlossenen Ende, der als der erste oder zweite Kolben oder als
der großdurchmessrige
Kolben verwendet wird, aus getrennten Elementen ausgebildet.
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Das
Ausbilden des Zylinders mit einem geschlossenen Ende aus einer Vielzahl
von getrennten Elementen vereinfacht die Verarbeitung innerhalb des
zylindrischen Abschnitts in der Nähe des geschlossenen Endes,
wodurch ermöglicht
wird, die Struktur bei niedrigen Kosten herzustellen.
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Noch
ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung basiert auf
einer der vorgenannten Strukturen, wobei ein Verbindungsdurchlass
vorgesehen ist, der die öldichte
Kammer und den Niederdruckabschnitt verbindet, und wobei innerhalb
dieses Verbindungsdurchlasses ein Rückschlagventil vorgesehen ist,
das das Hydrauliköl
in die öldichte
Kammer strömen
lässt,
wenn der Druck innerhalb der öldichten
Kammer unter einen vorbestimmten Druck fällt.
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Wenn
in dieser Struktur der Druck innerhalb der öldichten Kammer unter einen
vorbestimmten Druck fällt, öffnet sich
das Rückschlagventil,
wodurch das Hydrauliköl
dazu gebracht wird, in die öldichte Kammer
zu strömen.
Dies vereinfacht das Nachfüllen von
jeglichem hydraulischen Öl,
das von der öldichten
Kammer entwichen (geleckt) sein kann, d. h., dass der Öldruck innerhalb
der öldichten
Kammer zuverlässig
beibehalten werden kann, wodurch eine noch effizientere Übertragung
der Stellgliedverschiebung ermöglicht
wird.
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Gemäß noch einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das vorstehend erwähnte Stellglied
ein Piezostellglied.
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Für das Element,
das die Verschiebung erzeugt, indem ein Stellglied verwendet wird,
das eine große
Erzeugungskraft verwendet, um eine kleine Verschiebung zu erzeugen,
wie zum Beispiel ein Stellglied, das ein Piezoelement verwendet,
kann die Verschiebung effizient innerhalb einer kompakten Struktur übertragen
werden, was bedeutet, dass die Wirkungen der vorliegenden Erfindung
ganz besonders anwendbar sind.
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Gemäß noch einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
vorgesehen, die eine hydraulische Übertragungsvorrichtung gemäß einem
der ersten bis fünften
Gesichtspunkte als den Antriebsabschnitt für ein Steuerventil aufweist,
das das Öffnen
und Schließen
der Düsennadel
steuert, wobei eine Steuerkammer vorgesehen ist, die einen Druck
aufbringt, der so wirkt, dass die Düsennadel geschlossen wird. In
dieser Vorrichtung kann durch Antreiben des Öffnens und Schließens des
Steuerventils mit dem kleindurchmessrigen Kolben der hydraulischen Übertragungsvorrichtung,
der den Antriebsabschnitt bildet, der Druck innerhalb der Steuerkammer
erhöht und
verringert werden, wodurch das Anheben und Absenken der Düsennadel
ermöglicht
wird.
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In
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, in der die Kraftstoffeinspritzung
durchgeführt
wird, indem der Rückdruck
der Düsennadel
innerhalb eines Steuerventils gesteuert wird, indem die vorstehend
erwähnte
hydraulische Übertragungsvorrichtung
als der Antriebsabschnitt für
das Steuerventil verwendet wird, kann die notwendige Verschiebung
erreicht werden, ohne dass die Größe des Stellglieds vergrößert wird,
was bedeutet, dass eine kompakte und energieeffiziente Kraftstoffeinspritzung
hergestellt werden kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ebenso wie
Betriebsverfahren und die Funktion der zugehörigen Teile aus einem Studium
der folgenden ausführlichen
Beschreibung, den beiliegenden Ansprüche und Zeichnungen ersichtlich,
die alle einen Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen
ist:
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1 eine
Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Teilschnittansicht des Injektors von 1;
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3 eine
Teilschnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Teilschnittansicht eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Teilschnittansicht eines Injektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine
Schnittansicht eines herkömmlichen
Injektors.
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Nachstehend
ist eine Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung auf Grundlage der Zeichnungen gegeben. 1 ist
ein Strukturschaubild, das die auf einen Injektor 10 einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung angewendete vorliegende Erfindung
zeigt. Der Injektor 10 nimmt einen Piezoantriebsabschnitt 101 auf,
der als eine hydraulische Übertragungsvorrichtung
zum Verstärken
der Verschiebung dient. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Fokus
der Beschreibung auf die Anwendung der Struktur auf ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem
für eine
Dieselkraftmaschine gerichtet. Die Injektoren 10 sind jeweils
an den Zylindern der Kraftmaschine vorgesehen und empfangen eine
Kraftstoffzufuhr (Dieselöl) über eine
Common Rail. In der Common Rail ist ein durch eine Hochdruckzuführpumpe
druckgeförderter
Kraftstoff bei einem vorbestimmten hohen Druck gespeichert, der mit
dem Einspritzdruck korrespondiert.
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Der
Injektor 10 aus 1 hat den Piezoantriebsabschnitt 101 (den
oberen Abschnitt), der einen Piezostapel 61 aufweist, einen
Zylinderabschnitt 103 (den unteren Abschnitt), der eine
Düsennadel 3 enthält, und
einen Steuerventilabschnitt 102 (den mittleren Abschnitt)
mit einer Dreiwegeventilstruktur. Der Injektor 10 hat ein
Gehäuse 14,
das an die Wand einer in der Figur nicht gezeigten Brennkammer gepasst
ist. Die vorgenannten Abschnitte 101 bis 103 sind
innerhalb des Gehäuses 14 aufgenommen.
Zudem sind in dem Gehäuse 14 ein
Hochdruckdurchlass 15, der mit der Common Rail (in der
Figur nicht gezeigt) verbunden ist und ein Niederdruckdurchlass 16 ausgebildet,
der mit einem zu einem Kraftstofftank führenden Ablassdurchlass verbunden
ist.
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In
dem Düsenabschnitt 103 ist
die abgestufte Düsennadel 3 in
der Lage, innerhalb einer Längsbohrung 31,
die in dem unteren Ende des Gehäuses 14 ausgebildet
ist, frei zu gleiten. Eine ringförmige
Kraftstoffsammelkammer 32 ist um den Außenumfang des unteren kleindurchmessrigen
Abschnitts der Düsennadel 3 ausgebildet.
Diese Kraftstoffsammelkammer 32 ist an den Hochdruckdurchlass 15 angeschlossen
und wird von der Common Rail mit Hochdruckkraftstoff versorgt.
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Unterhalb
der Längsbohrung 31 ist
als eine Fortsetzung davon ein Sack 33 ausgebildet und
dieser Sack 33 ist an Kraftstoffeinspritzdurchlässe 34 angeschlossen,
die durch die Wand des Gehäuses führen.
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Wenn
sich die Düsennadel 3 in
ihrer abgesenkten Stellung befindet, sitzt die konische Spitze der
Nadel auf einem Sitz 35 auf, der an der Grenze zwischen
dem Sack 33 und der Längsbohrung 31 vorgesehen
ist. Dies schließt
den Sack 33 und verhindert die Zufuhr von Kraftstoff von
der Kraftstoffsammelkammer 32 zu den Einspritzöffnungen 34. Wenn
sich die Düsennadel 3 von
dem Sitz 35 abhebt und den Sack 33 öffnet, dann
wird Kraftstoff durch die Einspritzlöcher 34 eingespritzt.
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Der
durch die obere Fläche
der Düsennadel 3 und
die Seitenwände
der Längsbohrung 31 umschlossene
Bereich bildet eine Steuerkammer 4, die auf die Düsennadel 3 einen
Rückdruck
aufbringt. Dieselölkraftstoff
betritt die Steuerkammer 4 entweder über eine Ventilkammer 21 und
eine Blende 24 des Drosselventilabschnitts 102 oder über eine
Nebendrossel 41 von dem Hochdruckdurchlass 15.
Dieser Dieselkraftstoff erzeugt den Rückdruck für die Düsennadel 3 und die
durch diesen Rückdruck
aufgebrachte Abwärtskraft
drückt
die Düsennadel 3 zusammen
mit der Kraft einer in der Steuerkammer 4 aufgenommenen
Feder 42 in Richtung ihrer Aufsitzstellung. Im Gegensatz
dazu bringt der Hochdruckkraftstoff innerhalb der Kraftstoffsammelkammer 32 einen
Aufwärtsdruck
auf die abgestufte Fläche
der Düsennadel 3 auf,
der die Düsennadel 3 von
ihrer Sitzstellung wegdrückt.
Die Nebendrossel 41 mildert die Druckverringerung innerhalb
der Steuerkammer 4, wenn mit der Einspritzung begonnen
wird, und beschleunigt die Druckzunahme innerhalb der Steuerkammer 4,
wenn die Einspritzung aufhört,
wodurch eine Funktion zum Einstellen der Geschwindigkeit bereitgestellt
ist, mit der die Düsennadel 3 geöffnet und
geschlossen wird.
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In
dem Steuerventilabschnitt 102 mit einer Dreiwegeventilkonstruktion
ist ein großdurchmessriger
Ventilabschnitt 11 einer Ventilnadel 1 so gestaltet, dass
er entweder auf einem ersten Dreiwegeventilsitz 22 an der
Decke der Ventilkammer 21 aufsitzt oder auf einem zweiten
Dreiwegeventilsitz 23 an dem Boden der Ventilkammer 21 aufsitzt.
Der erste Sitz 22 und der zweite Sitz 23 sind
an gegenüberliegenden Stellen
innerhalb der jeweiligen zentralen Bereiche der Decke und des Bodens
der Ventilkammer 21 vorgesehen. Der erste Sitz 22 ist über einen
Niederdruckabschnitt 26 ständig mit dem Niederdruckdurchlass 16 in
Verbindung und der zweite Sitz 23 ist über einen Durchlass 25 mit
dem Hochdruckdurchlass 15 in Verbindung. Die Ventilkammer 21 ist über die
Blende 24 an der Steuerkammer 4 des Düsenabschnitts 103 angeschlossen.
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Die
Ventilnadel 1 hat eine Druckgleichgewichtskonstruktion,
in der der obere Abschnitt als der großdurchmessrige Ventilabschnitt 11 ausgebildet ist,
und in der der untere Abschnitt als ein Gleitabschnitt 13 ausgebildet
ist, der innerhalb eines Zylinders 27 gleitet, der sich
von dem zweiten Sitz 23 erstreckt. Der mittlere Abschnitt
der Ventilnadel 1 ist ein kleindurchmessriger Abschnitt 12,
der zum Verbinden des Ventilabschnitts 11 mit dem Gleitabschnitt 13 innerhalb
der Ventilkammer 21 vorgesehen ist. Der Durchlass 25,
der zu dem Hochdruckdurchlass 15 führt, öffnet sich in einen zwischen
dem kleindurchmessrigen Abschnitt 12 und den Wänden des
Zylinders 27 ausgebildeten ringförmigen Raum.
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Wenn
sich die Ventilnadel 1 in ihrer angehobenen Stellung befindet,
sitzt die ebene obere Fläche des
Ventilabschnitts 11 auf dem ersten Sitz 22 an
der Decke der Ventilkammer 21 auf, wodurch die Verbindung
mit dem Niederdruckdurchlass 16 geschlossen wird. Wenn
sich die Ventilnadel 1 in ihrer untersten Stellung befindet,
sitzt die untere konische Fläche des
Ventilabschnitts 11 auf dem zweiten Sitz 23 an dem
Boden der Ventilkammer 21 auf, wodurch die Verbindung mit
dem Hochdruckdurchlass 15 geschlossen wird. Eine durch
den Piezoantriebsabschnitt 101 erzeugte Antriebskraft treibt
die Ventilnadel 1 aufwärts
und abwärts
an. Wenn sich der Zustand der Ventilnadel 1 umschaltet,
steigt und fällt
der Druck innerhalb der mit der Ventilkammer 21 verbundenen
Steuerkammer 4, also der Rückdruck für die Düsennadel 3.
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Unterhalb
des Gleitabschnitts 13 der Ventilnadel 1 ist eine
Ventilfeder 17 aufgenommen und drückt die Ventilnadel 1 aufwärts. Ein
Durchlass, der mit dem Niederdruckabschnitt 26 verbindet, öffnet sich
in die Seitenwand des Zylinders 27 unterhalb des Gleitabschnitts 13,
wodurch sichergestellt ist, dass eine Abwärtsbewegung der Ventilnadel 1 nicht verhindert
wird. Mit dieser Struktur kann der Ventilabschnitt 11 schnell
von dem ersten Sitz 22 getrennt werden, wenn die Einspritzung
anfängt.
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Der
Piezoantriebsabschnitt 101 ist unter Verwendung des Piezostapels 61 als
ein Piezostellglied konstruiert. Der Piezostapel 61 ist
innerhalb einer längsgerichteten Öffnung aufgenommen,
die oberhalb der Ventilkammer 21 ausgebildet ist. Ein Piezokolben 62,
der als der großdurchmessrige
Kolben (der erste Kolben) dient, und ein Ventilkolben 64,
der als der kleindurchmessrige Kolben (der zweite Kolben) dient,
sind koaxial unterhalb des Piezostapels 61 positioniert.
Der Piezostapel 61 hat einen herkömmlichen Aufbau mit piezoelektrischen
Keramikschichten, etwa PZT, und mit in einer alternierenden Anordnung
von laminierten Elektrodenschichten. Ein Ausdehnen und Zusammenziehen
findet in der Laminierungsrichtung (der Vertikalrichtung) statt
und der Stapel wird über
eine in der Figur nicht gezeigte Treiberschaltung geladen und entladen.
Der Piezokolben 62 und der Ventilkolben 64 gleiten
frei entlang eines zylindrischen Zylinders 5, der an der
längsgerichteten Öffnung befestigt
ist. Zwischen dem Piezokolben 62 und dem Ventilkolben 64 ist
eine öldichte
Kammer 63 ausgebildet. Die Strukturen dieser Abschnitte 62 und 64 und
die öldichte
Kammer 63 repräsentieren die
charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung und diese
Merkmale werden nachstehend ausführlich
beschrieben.
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Die
Bodenfläche
des Piezostapels 61 ist an einem Kolbenelement 66 gestützt, das
innerhalb der länglichen Öffnung frei
gleitet. Der Piezokolben 62 ist mit dem Boden dieses Kolbenelements 66 in
Kontakt. Wie in 2 gezeigt ist, hat der Piezokolben 62 eine zylindrische
Gestalt, die an einem Ende geschlossen ist. Ein zylindrischer Abschnitt 621 dieses
geschlossenen Zylinders passt über
das Äußere eines
zylindrischen Abschnitts 51 des Zylinders 5, wodurch
dem Piezokolben 62 ermöglicht
wird, frei über
der Außenumfangsfläche des
zylindrischen Abschnitts 51 zu gleiten. Der Zylinder 5 ist
durch einen von der Bodenaußenkante
des zylindrischen Abschnitts 51 vorstehenden Flansch 52 an
dem Gehäuse 14 gesichert. Die Piezofeder 65 ist
zwischen diesem Flansch 52 und einem oberen großdurchmessrigen
Abschnitt 622 des Piezokolbens 62 vorgesehen.
Die Piezofeder 65 bringt über den Piezokolben 62 und
das Kolbenelement 66 eine gleichmäßige Anfangslast auf den Piezostapel 61 auf.
Dementsprechend bewegt sich der Piezokolben 62 in einer
integrierten Art und Weise mit dem Ausdehnen und Zusammenziehen des
Piezostapels 51 auf und ab. Die Piezofeder 65 kann
entweder eine Schraubenfeder oder eine Spaltfeder sein.
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Der
Ventilkolben 64 hat eine säulenartige Struktur. Er ist
von unten in den zylindrischen Abschnitt 51 des Zylinders 5 eingesetzt
und gleitet frei entlang der Innenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 51.
Ein stiftförmiger
unterer Endabschnitt 641 des Ventilkolbens 64 erstreckt
sich nach unten zu dem ersten Dreiwegeventilsitz 22 und
ist innerhalb der Ventilkammer 21 mit der oberen Fläche der
Ventilnadel 1 in Kontakt. In der Nähe des Zentrums des Ventilkolbens 64 ist
um den Außenumfang
ein Flansch 642 ausgebildet. Eine Ventilkolbenvoreinstellfeder 53,
die oben an dem Flansch 642 gestützt ist, drückt den Ventilkolben 64 in
eine Abwärtsrichtung.
Der durch den zylindrischen Abschnitt 621 des Piezokolbens 62 umschlossene
Raum, der zylindrische Abschnitt 51 des Zylinders 5 und
der Ventilkolben 64 bilden die öldichte Kammer 63 und
diese Kammer ist mit dem Kraftstoff gefüllt, der als das Hydrauliköl wirkt.
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Dementsprechend
wird, wenn sich der Piezostapel 61 ausdehnt und nach unten
auf den Piezokolben 62 drückt, dieser abwärts gerichtete
Druck über
den Kraftstoff in der öldichten
Kammer 63 auf den Ventilkolben 64 übertragen
und somit wird die Funktion einer hydraulischen Übertragungsvorrichtung verwirklicht.
Da zusätzlich
in diesem Ausführungsbeispiel
ein großdurchmessriger
Piezokolben 62 und ein kleindurchmessriger Ventilkolben 64 verwendet
werden, wird die Verschiebung des Piezostapels 61 bei der Übertragung
in Übereinstimmung
mit dem Unterschied zwischen dem Innendurchmesser des zylindrischen
Abschnitts 621 des Piezokolbens 62 und dem Außendurchmesser
des Ventilkolbens 64, (d. h. dem Unterschied der Gleitdurchmesser)
bei der Übertragung
vergrößert.
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Als
Nächstes
wird eine Beschreibung des Betriebs eines Injektors 10 gegeben,
der das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet. Im
Fall des ersten Ausführungsbeispiels
zeigen 1 und 2 den ladungsfreien Zustand
des Piezostapels 61, in dem sich der Stapel in einem zusammengezogenen
Zustand befindet. Die Ventilnadel 1 wird durch den Kraftstoffdruck
innerhalb der Ventilkammer 21 und durch den Druck der Ventilfeder 17 nach
oben gedrückt,
sodass der Ventilabschnitt 11 auf dem ersten Sitz 22 aufsitzt.
Der dem ersten Sitz 22 zugewandte zweite Sitz 23 dient
als ein offenes Ventil. Die Steuerkammer 4 ist über die
Blende 24, die Ventilkammer 21 und den zweiten
Ventilsitz 23 an dem Hochdruckdurchlass 15 angeschlossen,
und ist zudem über
die Nebenblende 41 an dem Hochdruckdurchlass 15 angeschlossen.
Folglich befindet sich die Steuerkammer 4 infolge des Einströmens von Kraftstoff
von dem Hochdruckdurchlass 15 in einem Zustand eines hohen
Drucks. Als ein Ergebnis dieses Kraftstoffdrucks und der Kraft der
Feder 42 sitzt die Düsennadel 3 auf
dem Sitz 35 auf, wodurch verhindert wird, dass eine Kraftstoffeinspritzung
eintritt.
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Dann
wird, wenn der Piezostapel 61 dann erregt wird, der Piezostapel 61 erregt
und wird einer Ausdehnung unterzogen. Diese Ausdehnung lässt den
Piezokolben 62 nach unten bewegen, wodurch das Hydrauliköl (in diesem
Fall Dieselöl)
innerhalb der öldichten
Kammer 63 komprimiert wird. Der Druck des Hydrauliköls lässt den
Ventilkolben 64 abwärts bewegen,
wodurch die Ventilnadel 1 nach unten gezwungen wird, und
lässt den
Ventilabschnitt 11 von dem ersten Sitz 22 trennen
und abwärts
bewegen, sodass er auf dem zweiten Sitz 23 aufsitzt. Als ein
Ergebnis wird die Steuerkammer 4 über die Ventilkammer 21 und
den ersten Sitz 22 mit dem Niederdruckdurchlass 16 verbunden.
Dies lässt
den Druck innerhalb der Steuerkammer 4 fallen, und wenn
der Abwärtsdruck
der Düsennadel 4 unterhalb
des Aufwärtsdrucks
fällt,
bewegt sich die Düsennadel 3 von ihrem
Sitz aufwärts,
wodurch ermöglicht
wird, dass die Kraftstoffeinspritzung beginnt.
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Wenn
der Piezostapel 61 dann noch mal entladen wird, zieht sich
der Stapel 61 zusammen, was den Piezokolben 62 aufwärts bewegen
lässt,
wodurch der Druck innerhalb der öldichten
Kammer 63 gesenkt wird, und was den Abwärtsdruck auf die Ventilnadel 1 entlastet.
Als ein Ergebnis strömt
der Hochdruckkraftstoff noch mal über die Blende 24 und
die Nebenblende 41 in die Steuerkammer 4, wodurch
der Druck in der Steuerkammer 4 dazu gebracht wird, anzusteigen,
und die Düsennadel 3 dazu
gebracht wird, auf ihre Sitzstellung zurückzukehren, wodurch die Kraftstoffeinspritzung
gestoppt wird.
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In
Fällen,
wie in diesem ersten Ausführungsbeispiel,
in denen der Piezostapel 61 als das Stellglied verwendet
wird, ist der Betrag der Verschiebung extrem klein. Jedoch kann
durch Verwendung einer hydraulischen Übertragungsvorrichtung, die
eine Kombination aus einem großdurchmessrigen
Piezokolben 22 und einem kleindurchmessrigen Ventilkolben 64 verwendet,
diese Verschiebung wirkungsvoll übertragen
werden. Außerdem
kann durch Verwendung einer Struktur wie der vorstehend beschriebenen
Struktur, in der der Piezokolben 62 über die Außenumfangsfläche des
zylindrischen Zylinders 5 gleitet, während der Ventilkolben 64 über die
Innenumfangsfläche
gleitet, sowohl die Außenfläche als
auch die Innenfläche
des Zylinders 5 als Gleitfläche dienen. Als Ergebnis kann
die Gesamtlänge
des Piezoantriebsabschnitts 101 (der hydraulischen Übertragungsvorrichtung)
verringert werden, während
die Gleitlänge
der Kolben beibehalten wird. Dementsprechend kann ein kompakter
Injektor 10 hergestellt werden, der die Verschiebung zum
Antreiben des Steuerventilabschnitts 102 zufriedenstellend
bereitstellt und der zudem eine ausgezeichnete Ansprechcharakteristik
und Leistung aufzeigt.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung mit einer geringfügig unterschiedlichen Struktur
des Piezoantriebsabschnitts 101 (der hydraulischen Übertragungsvorrichtung). Der
Gesamtaufbau und die grundlegenden Funktionsweisen des Injektors 10 entsprechen
denen, die für
das erste Ausführungsbeispiel
beschrieben sind, und somit wird deren Beschreibung hier ausgelassen.
Wie in 3 gezeigt ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Bodenkante des zylindrischen Zylinders 5 innerhalb
eines in der oberen Fläche
des Gehäuses 14,
das die Ventilkammer 21 bildet, vorgesehenen konkaven Abschnitts
in Eingriff. Ein Flansch 52 um den Außenumfang des Zylinders 5 ist
mit der oberen Fläche
des Gehäuses 14 in
Kontakt und darauf gestützt.
Der Bereich innerhalb des unteren Abschnitts des Zylinders 5,
in dem der Durchmesser ausgestuft ist, bildet eine Niederdruckkammer 55. Eine
in der Seitenwand der Niederdruckkammer 55 vorgesehene
Verbindungsöffnung 54 verbindet
mit dem Niederdruckabschnitt 26.
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Wenn
die Ventilnadel 1 von dem ersten Dreiwegeventilsitz 22 gelöst ist,
strömt
Kraftstoff von der Ventilkammer 21 durch den ersten Sitz 22,
die Niederdruckkammer 55 und den Verbindungsdurchlass 54 und
betritt den Niederdruckabschnitt 26. Außerdem ist ein unterer Endabschnitt 643 des
Ventilkolbens 64 als ein konischer Abschnitt ausgebildet,
der in der Abwärtsrichtung
enger wird. Eine Ventileinstellfeder 53 ist zwischen der
oberen Fläche
dieses konischen Abschnitts und der Stufe in dem Zylinder 5 angeordnet.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
bringt ähnliche Wirkungen
wie die für
das erste Ausführungsbeispiel beobachteten
Wirkungen hervor. Unter der Voraussetzung, dass eine Struktur verwendet
wird, in der der Piezokolben 62 und der Ventilkolben 64 entlang der
Innen- und Außenumfangsflächen des
zylindrischen Zylinders 5 gleiten, gibt es keine besonderen Beschränkungen
bezüglich
der Gestalt der einzelnen Elemente oder der zum Befestigen dieser
Elemente verwendeten Verfahren.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, in dem sich die Struktur des Ventilkolbens 64 von
der des in dem zweiten Ausführungsbeispiel
verwendeten unterscheidet. Die Gesamtkonstruktion und die grundlegenden
Funktionen des Injektors 10 sind die Gleichen wie die für das erste
Ausführungsbeispiel
beschriebenen und daher ist deren Beschreibung ausgelassen. Wie
in 4 gezeigt ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel
ein sich in einer Axialrichtung erstreckender Verbindungsdurchlass 7 innerhalb
des Ventilkolbens 64 ausgebildet. Das obere Ende dieses
Verbindungsdurchlasses 7 öffnet in die öldichte
Kammer 63 und das untere Ende ist über eine durch die Seitenwand
des Ventilkolbens 64 führende
Verbindungsöffnung 71 mit
der Niederdruckkammer 55 verbunden.
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Der
obere Endabschnitt des Verbindungsdurchlasses 7 ist mit
einem geringfügig
größeren Durchmesser
ausgebildet und nimmt ein Kugelventil 73 auf, das als ein
Rückschlagventil
zum Kompensieren jeglicher Leckage aus der öldichten Kammer 63 dient.
Ein Plattenelement mit einer Verbindungsöffnung 72 ist innerhalb
der Öffnung
an dem oberen Ende des großdurchmessrigen
Abschnitts des Verbindungsdurchlasses 7 in Eingriff. Dementsprechend strömt dann,
wenn der Druck innerhalb der öldichten Kammer 63 fällt, Kraftstoff
von der Niederdruckkammer 55 durch die Verbindungsöffnung 71 und
den Verbindungsdurchlass 7 und drückt das Kugelventil 73 aufwärts, wodurch
das Öl
innerhalb der öldichten Kammer 63 nachgefüllt wird.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
erzeugt ähnliche
Effekte wie jene, die für
die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beobachtet wurden. Außerdem
ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Ventilkolbenvoreinstellfeder 53 innerhalb der öldichten
Kammer 63 angeordnet. Auf diese Art und Weise ist die Positionierung
eines jeden der Elemente nicht besonders eingeschränkt und
es sind viele Modifikationen möglich,
bei denen Elemente, die sich von der Ventilkolbenvoreinstellfeder 53 unterscheiden,
auf alternative Positionen verschoben sind.
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5 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, in dem sich die Struktur des Piezokolbens 62 von
der des in dem zweiten Ausführungsbeispiel
verwendeten unterscheidet. Die Gesamtstruktur und die Basisfunktionen
des Injektors 10 sind wie jene des für das erste Ausführungsbeispiel
beschriebenen und somit ist deren Beschreibung hier ausgelassen.
Wie in 5 gezeigt ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel
der Piezokolben 62 aus einem Zylinder ausgebildet, der
an beiden Enden offen ist, und das Kolbenelement 66 ist
so positioniert, dass es die obere Öffnung des Zylinders schließt. Der
durch den Piezokolben 62, das Kolbenelement 66,
den Zylinder 5 und den Ventilkolben 64 eingeschlossene
Bereich dient als die öldichte
Kammer 63. Dieses Ausführungsbeispiel
zeigt, dass der zylindrisch gestaltete Kolben mit einem geschlossenen
Ende, der die öldichte
Kammer 63 bildet, aus einer Vielzahl von Elementen gebildet
sein kann. Außerdem verbindet
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Verbindungsöffnung 56,
die an dem unteren Ende des zylindrischen Abschnitts 41 des
Zylinders 5 durch den Flansch 52 führt, den
Niederdruckabschnitt 26 mit der Niederdruckkammer 55.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
erzeugt ähnliche
Wirkungen wie jene Wirkungen, die für die vorgenannten Ausführungsbeispiele
beobachtet wurden. Außerdem
ist in diesem Ausführungsbeispiel
der zylindrisch gestaltete Kolben mit einem geschlossenen Ende in
zwei Elemente geteilt, d. h., das Kolbenelement 66, das
den geschlossenen oberen Abschnitt bildet, und den Piezokolben 62,
der den zylindrischen Abschnitt bildet. Dies ermöglicht, dass der zylindrische
Abschnitt bei Weitem einfacher hergestellt werden kann als in dem
Fall, in dem der Kolben aus einem einzelnen Element gebildet ist,
wodurch eine Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht wird. Ebenso
könnte
ein Plattenelement zwischen dem Kolbenelement 66 und dem
Piezokolben 62 positioniert werden, sodass dieses Plattenelement
die obere Fläche
der öldichten
Kammer 63 bildet.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, stellt die vorliegende Erfindung einen
Mechanismus zum Übertragen
der Verschiebung eines Stellglieds über einen hydraulischen Druck
bereit, wobei die beiden Kolben so positioniert sind, dass sie jeweils
entlang der Innen- und Außenflächen eines zylindrischen
Zylinders gleiten. Als ein Ergebnis kann das Verhältnis der
Gesamtlänge
des Mechanismus, das zu der Gleitlänge beiträgt, deutlich reduziert werden.
Jedes Element, das eine Verschiebung erzeugt, wenn es erregt wird,
kann als das Stellglied verwendet werden und geeignete Beispiele
schließen
Piezoelemente, wie sie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben
sind, und magnetostriktive Elemente ein. Durch Anwenden der vorliegenden
Erfindung auf ein Stellglied, das aus einem Piezoelement oder aus einem
magnetostriktiven Element gebildet ist, bei denen eine große Erzeugungskraft
erforderlich ist, um eine geringe Verschiebung zu erzeugen, kann
eine hydraulische Übertragungsvorrichtung
zum Antreiben des Steuerventils eines Injektors 10 innerhalb
einer sehr kompakten Struktur ausgebildet werden.
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Obwohl
in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Beschreibung
auf die Anwendung der Erfindung auf hydraulische Übertragungsvorrichtungen
gerichtet ist, die die Verschiebung des Stellglieds vergrößern, indem
die Piezostapelerzeugungskraft durch die zu übertragende Öldruckkammer
erhöht
wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Strukturen
beschränkt.
Beispielsweise kann, wenn die vorliegende Erfindung auf ein Stellglied
angewendet wird, in dem eine kleine Erzeugungskraft eine große Verschiebung
erzeugt, dann durch Umdrehen der Positionierung des großdurchmessrigen
Kolbens und des kleindurchmessrigen Kolbens in den vorgenannten
Ausführungsbeispielen
auch eine Vorrichtung hergestellt werden, die die Antriebskraft
verringert.
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Eine
hydraulische Übertragungsvorrichtung weist
ein Stellglied (61), einen ersten Kolben (62)
und einen zweiten Kolben (64) auf. Das Stellglied (61)
erzeugt eine Verschiebung, wenn es erregt wird. Der erste Kolben
(62) verschiebt sich einstückig mit dem Stellglied (61).
Der zweite Kolben (64) ist dem ersten Kolben (62)
zugewandt und definiert dazwischen eine öldichte Kammer (63).
Die öldichte
Kammer (63) überträgt die Verschiebung
des Stellglieds (61) hydraulisch auf den zweiten Kolben
(64). Einer von dem ersten und zweiten Kolben (62, 64)
hat eine zylindrische Gestalt mit einem geschlossenen Ende und einem
zylindrischen Abschnitt (51). Der zylindrische Abschnitt
(51) ist über
ein Äußeres eines
zylindrischen Elements (5) gepasst, das an einem Gehäuse (14)
gesichert ist. Der andere von dem ersten und zweiten Kolben (62, 64)
ist in das Innere des zylindrischen Zylinders (5) eingesetzt,
sodass der erste und zweite Kolben (62, 64) entlang
einer Innen- und Außenumfangsfläche des
zylindrischen Zylinders (5) frei gleiten. Ein durch den
zylindrischen Abschnitt (51), den zylindrischen Zylinder
(5) und den anderen von dem ersten und zweiten Kolben (62, 64)
umschlossener Raum (63) ist mit einem Hydrauliköl gefüllt und
dient als die öldichte
Kammer (63).