DE102005046440A1

DE102005046440A1 - Spannfeder

Info

Publication number: DE102005046440A1
Application number: DE102005046440A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Noliac AS
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: DE102005046440B4

Abstract

Eine Spannvorrichtung für einen zwischen zwei Abschlusselementen (4, 5) eingespannten Piezomulilayeraktor (2) weist zumindest zwei Federbänder (3, 9, 13, 17, 20, 23, 25) auf, die jeweils die Abschlusselemente (4, 5) verbinden. Die Federbänder (3, 9, 13, 17, 20, 23, 25) haben in Längsrichtung eine Z-Faltung (6, 10, 14, 18), so dass bei Zugbelastung des Federbands (3, 9, 13, 17, 20, 23, 25) ein Mittelabschnitt (7, 12, 16, 26) der Z-Faltung (6, 10, 14, 18) auf Schub belastet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannfeder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Spannfeder, mit der ein Piezomultilayeraktor vorgespannt werden kann.

Piezomultilayeraktoren, abgekürzt PMA, finden als schnelle Stell- und Schaltantriebe vielfach Verwendung. Insbesondere wird ein PMA bei Kraftstoffhochdruckeinspritzventilen eingesetzt. Neuere Bauformen von PMA weisen oft quadratische Querschnitte mit einer Kantenlänge von 5 mm bis ca. 7 mm auf. Der PMA muss unter einer Vorspannung gehalten werden, um ihn vor Zugbelastungen zu schützen, evtl. vorhandene Sprünge, wie etwa Polungsrisse, zusammenzudrücken und eine mechanisch steife Anbindung an das anzutreibende Element, wie etwa eine Düsennadel, sowie ein Gegenlager zu erreichen. Dabei ist bei Baulängen des PMA zwischen 30 mm und 60 mm eine Zugkraft von etwa 600–850 N vorteilhaft. Es ist bekannt, eine Zylinderfeder um den PMA anzuordnen, um diese Vorspannung zu erreichen. Dadurch wird jedoch durch den Kreisquerschnitt der Zylinderfeder ein größerer Bauraum benötigt, als durch die Form des PMA vorgegeben.

Daher werden zur Bauraum sparenden Vorspannung von PMA mit rechteckigem Querschnitt glatte oder mit Durchbrüchen in regelmäßiger Anordnung strukturierte Federbänder an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des PMA eingesetzt. Eine solche Anordnung ist aus der DE 199 05 413 A1 bekannt. Ein PMA hat einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt und wird von einem zweischenkligen Vorspannbügel vorgespannt, der längs an einander gegenüberliegenden Außenseiten des PMA angebracht ist. Um einerseits den erzielbaren Stellweg der Aktoreinheit nicht unnötig einzuschränken und andererseits in allen Betriebszuständen im Bereich verträglicher Material spannungen, z.B. < 1200N/mm² für kalt umgeformten vergüteten Federstahl, zu bleiben, ist eine möglichst geringe Federrate der Spannfeder erwünscht.

Jedoch kann die Materialstärke und/oder die Breite der Federbänder nicht beliebig verringert werden, da dann beim Hub des PMA oder bereits durch die Vorspannung die zulässige Materialspannung überschritten würde

Zudem soll die Feder einfach und kostengünstig in großen Stückzahlen gefertigt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannfeder so zu gestalten, dass sie eine hohe Vorspannung des Piezomultilayeraktors ermöglicht, einfach sowie kostengünstig in Großserie zu fertigen ist und ihre Federrate klein ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Spannfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch eine Spannfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 kann der PMA vorteilhaft unter eine hohe Vorspannung gesetzt werden bei einer gleichzeitig geringen Federrate in Längsrichtung des PMA.

Wenn an den PMA eine Spannung angelegt wird und der PMA sich ausdehnt, wird das Federband insgesamt auf Zug belastet und der Mittelabschnitt auf Druck bzw. Schub belastet. Die Federrate eines auf Zug belasteten Federbands ist im wesentlichen gleich der Federrate des auf Schub belasteten Federbands. Bei gleicher Materialstärke wie bei einem einfachen Federband verdreifacht sich für die Länge der Z-Faltung die wirksame Länge und die Federrate wird entsprechend herabgesetzt.

Vorteilhaft weist jedes Federband eine mehrfache Z-Faltung auf.

Wenn anstatt einer langen Z-Faltung bei einem Federband zwei Z-Faltungen gleicher Gesamtlänge angeordnet sind, verkürzt sich die Länge des auf Schub belasteten Mittelabschnitts auf je die Hälfte. Der auf Schub belastete Mittelabschnitt ist auch stabiler und damit weniger anfällig gegen ein mögliches Einknicken.

In günstiger Ausführungsform weist jedes Federband zwei Z-Faltungen auf, die in Längsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind.

Das Federband hat dann nur dieselbe Dicke wie ein Federband mit nur einer Z-Faltung und erfordert keinen erweiterten Einbauraum.

In vorteilhafter Ausführung sind zwischen jeweils zugehörigen Zugpunkten der Abschlusselemente jeweils zumindest zwei Federbänder angeordnet.

Durch die Aufteilung auf zwei Federbänder lassen sich die Materialspannungen weiter herabsetzen.

Die zwei Federbänder eines zugehörigen Zugpunkts können aneinander liegend angeordnet sein. Direkt aneinander liegende Abschnitte der zwei Federbänder können dabei einstückig ausgeführt sein.

Es ergibt sich dadurch eine geringere Dicke der Anordnung aus zwei Federbändern.

In vorteilhafter Ausführung sind die zwei Federbänder eines zugehörigen Zugpunkts aneinander liegend angeordnet. Ferner weist zumindest ein auf Zug belasteter Mittelabschnitt der Z-Faltung eines Federbandes zumindest einen zweifach umgefalzten Randstreifen auf, der Abschnitte des anderen Federstreifens umgreift.

Dadurch wird der auf Schub belastete Mittelabschnitt versteift und die Gefahr des Einknickens verringert. Wenn die Umfalzung den auf Schub belasteten Mittelabschnitt der Z-Faltung des anderen Federbands umfasst, wird dadurch auch der Mittelabschnitt der Z-Faltung des anderen Federbandes geführt und gegen Knicken stabilisiert.

In günstiger Ausführungsform weist der Mittelabschnitt der Z-Faltung eine versteifende Profilierung auf. Die Neigung zum Einknicken unter Schubbelastung wird dadurch verringert.

Vorteilhaft weist der auf Schub belastete Mittelabschnitt der Z-Faltung eine größere Materialstärke auf. Auch hierdurch wird die Gefahr des Knickens verringert.

Vorteilhaft weisen die auf Zug belasteten Abschnitte der Z-Faltung ihre größte Breite an ihren Enden und dazwischen eine gerundete sich in der Breite verschmälernde Form auf. Dadurch ergibt sich eine größere Steifigkeit der Umfaltbereiche.

Das Federband kann aus einzelnen Blechfederbändern zusammengesetzt sein, die an einer oder mehreren der Faltungen der Z-Faltung verschweißt sind.

In günstiger Ausführungsform besteht das Federband aus einem einstückigen in eine Z-Faltung umformbaren Stanzteil.

Zwischen den aufeinander liegenden Abschnitten der Z-Faltung des Federbands kann ein Schmiermittel eingebracht sein. Dadurch werden störende Reibungseinflüsse beseitigt.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zylinderfeder werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 schematisch im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Spannfeder mit einem PMA,
2A in Seitenansicht ein Federband des Ausführungsbeispiels der 1,
2B in Frontansicht das Federband des Ausführungsbeispiels der 1,
2C in Aufsicht das Federband des Ausführungsbeispiels der 1 entfaltet,
3A in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Federbands,
3B in Frontansicht das Federband der 3A,
4A in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Federbands,
4B in Frontansicht das Federband der 4A,
4C in Rückansicht das Federband der 4A,
4D in Aufsicht das Federband der 4A entfaltet,
5A in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus zwei Federbändern,
5B in Frontansicht die Federbänder der 5A,
6A in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus zwei Federbändern,
6B in Frontansicht die Federbänder der 6A,
7 in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus zwei Federbändern,
8 in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus zwei Federbändern,
9A in Seitenansicht ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus zwei Federbändern,
9B in Frontansicht die Federbänder der 9A und
9C in Aufsicht eines der Federbänder der 9A entfaltet,
Die 1 zeigt schematisch im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Spannfeder 1 mit einem PMA 2. Die Spannfeder 1 ist aus zwei Federbändern 3 aufgebaut, die ein unteres Abschlusselement 4 mit einem oberen Abschlusselement 5 verbinden und die auf den PMA 2 eine Vorspannkraft ausübt. An dem im Querschnitt rechteckigen und in Frontansicht dargestellten PMA 2 ist an gegenüberliegenden Seiten je eines der Federbänder 3 angeordnet. Beide Federbänder weisen eine Z-Faltung 6 mit einem Mittelabschnitt 7 auf.
Das Federband 3 der 1 ist in den 2A, 2B und 2C in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Seitenansicht der 2A zeigt die zusammengedrückte Z-Faltung 6 des Federbands 3. Wenn das Federband 3 auf Zug belastet wird, wird der Mittelabschnitt 7 auf Druck bzw. Schub belastet. Die Frontansicht der 2B des Federbandes 3 zeigt in den jeweils durch die Z-Faltung unterteilten Bereichen je eine konkav verjüngte Einschnürung. Die 2C zeigt das Federband 3 in ungefaltetem Zustand mit dem zwischen den Faltungslinien 8 angeordneten Mittelabschnitt 7.
Wenn an den PMA 2 (siehe 1) Spannung angelegt wird, dehnt sich dieser aus, und die Federbänder 3 werden gedehnt. Dabei wird der Mittelabschnitt 7 der Z-Faltung auf Druck be lastet. Die Federrate eines auf Zug belasteten Flachstreifens ist im wesentlichen gleich der Federrate eines auf Druck bzw. Schub belasteten Flachstreifens. Da sich die Z-Faltung 6 fast über die gesamte Länge des PMA 2 erstreckt, steht somit die dreifache wirksame Länge zur Verfügung und die Federrate des Federbandes 3 beträgt ungefähr ein Drittel gegenüber einem einfachen Federband. Durch das Falten aus einem ausgestanzten Halbteil entlang der Faltungslinien 8 in 2C lässt sich das Federband 3 kostengünstig in Großserie fertigen.
Bei dem in 3A in Seitenansicht und in 3B in Frontansicht dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Federband 9 eine Z-Faltung 10 mit einem auf Schub belasteten Mittelabschnitt 12 und eine sich über die gesamte Länge des Federbandes 9 erstreckende Profilierung 11. Die Profilierung 11 besteht aus einer vorzugsweise längs der Symmetrielinie eingeprägten Längsrille.
Der Mittelabschnitt 12 weist dadurch in vorteilhafter Weise eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Knicken auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den 4A bis 4D dargestellt. Dabei zeigt die 4A in einer Seitenansicht ein Federband 13 mit zwei Z-Faltungen 14. Die Frontansicht der 4B des Federbands 13 zeigt die bereits im Zusammenhang mit 2 beschriebene konkav verjüngte Einschnürung in den durch Faltungslinien 15 unterteilten Bereichen mit Ausnahme der auf Schub belasteten Mittelabschnitte 16. Die 4C zeigt die entsprechende Rückansicht des Federbands 13 mit den Mittelabschnitten 16. Die 4C zeigt das Federband 13 vor dem Umfalten an den Faltungslinien 15 mit den Mittelabschnitten 16. Die Z-Faltungen erstrecken sich über dieselbe Länge und sind bei dem vorliegenden Beispiel zu einer durch die halbe Länge des Federbandes gelegenen Ebene spiegelsymmetrisch angeordnet.
Durch die Aufteilung auf zwei Z-Faltungen 14 ergeben sich kürzere Mittelabschnitte 16. Dies ist insofern von Vorteil, als ein kurzer Mittelabschnitt 16 stabilisiert ist mit der Folge, dass die Gefahr des Einknickens verringert wird.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Federbändern 17 zeigen die 5A und 5B in Seiten- und Frontansicht. Die Anordnung aus zwei Federbändern 17 wird bei der Spannfeder auf einer Seite des PMA anstatt des einen Federbandes eingesetzt, wie z.B. in 1. In der vorliegenden Ausführungsform zeigen die Federbänder 17, die doppelte Z-Faltungen 18 haben, mit einem langen Verbindungsabschnitt 19 zueinander.
Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der 6A und 6B weicht von dem der 5A und 5B darin ab, dass die Federbänder 17 so angeordnet sind, dass die langen Verbindungsabschnitte 19 auf den Außenseiten liegen.
Die 7 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Federbändern 20 in Seitenansicht. Die Anordnung aus zwei Federbändern 20 unterscheidet sich von der der 5A und 5B darin, dass ein gemeinsamer Verbindungsabschnitt 21 der Federbänder 20 vorhanden ist und die Anordnung der Federbänder 20 nicht ausschließlich gefaltet wird, sondern z. T. aus einzelnen Abschnitten zusammengesetzt und mit Schweißnähten 22 verbunden ist.
Die Ausführungsform der 8 entspricht in ihrer Grundform der Form der 6A und 6B und ihre Federbänder 23 sind zusammengesetzt aus Abschnitten, die über Schweißnähte 24 verbunden sind.
Bei den zusammengesetzten Ausführungsbeispielen kann für Abschnitte, die auf Schub belastet werden, eine größere Materialstärke gewählt und eine größere Knicksteifigkeit erreicht werden.
Die 9A und 9B zeigen ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Federbändern 25. Ein einzelnes, nicht gefaltetes Federband 25 ist in 9C dargestellt. Ein Mittelabschnitt 26 weist Randstreifen 27 auf. Werden zwei der in 9C dargestellten Federbänder entlang von Faltungslinien 28 gefaltet und wechselseitig orientiert so angeordnet, wie in den 9A und 9B dargestellt, so umgreifen die gefalzten Randstreifen, die zweimal gefalzt sind, jeweils den Mittelabschnitt 26 des anderen Federbands 25, wie in 9B zu erkennen ist.
Dadurch werden die Mittelabschnitte 26 geführt und können nicht knicken. Darüber hinaus wird die gesamte Anordnung aus den zwei Federbändern 25 zusätzlich versteift.

Claims

Spannvorrichtung für einen zwischen zwei Abschlusselementen (4, 5) eingespannten Piezomulilayeraktor (2) mit zumindest zwei Federbändern (3, 9, 13, 17, 20, 23, 25), die jeweils die Abschlusselemente (4, 5) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbänder (3, 9, 13, 17, 20, 23, 25) in Längsrichtung eine Z-Faltung (6, 10, 14, 18) aufweisen, so dass bei Zugbelastung des Federbands (3, 9, 13, 17, 20, 23, 25) ein Mittelabschnitt (7, 12, 16, 26) der Z-Faltung (6, 10, 14, 18) auf Schub belastet wird.
Spannfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federband (13, 17, 20, 23, 25) eine mehrfache Z-Faltung (14, 18) aufweist.
Spannfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federband (13, 17, 20, 23, 25) zwei Z-Faltungen (14, 18) aufweist, die in Längsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zugehörigen Zugpunkten der Abschlusselemente jeweils zumindest zwei Federbänder (17, 20, 23, 25) angeordnet sind.
Spannfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Federbänder (20) eines zugehörigen Zugpunkts aneinander liegend angeordnet sind und dass direkt aneinander liegende Abschnitte der zwei Federbänder einstückig ausgeführt sind.
Spannfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Federbänder (25) eines zugehörigen Zugpunkts aneinander liegend angeordnet sind und zumindest ein auf Zug belasteter Mittelabschnitt (26) der Z-Faltung eines Federbandes (25) zumindest einen zweifach umgefalzten Randstreifen (27) aufweist, der Abschnitte des anderen Federbandes umgreift.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (12) der Z-Faltung (10) eine versteifende Profilierung (11) aufweist.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf Schub belastete Mittelabschnitt der Z-Faltung eine größere Materialstärke aufweist.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Zug belasteten Abschnitte der Z-Faltung (6, 10, 4, 18) ihre größte Breite an ihren Enden und dazwischen eine gerundete sich in der Breite verschmälernde Form aufweisen.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federband (20, 23) aus einzelnen Blechfederbändern zusammengesetzt ist, die an einer oder mehreren der Faltungen der Z-Faltung verschweißt sind.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federband (3, 13, 25) aus einem einstückigen in eine Z-Faltung umformbaren Stanzteil besteht.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die aufeinander liegenden Abschnitte der Z-Faltung des Federbands ein Schmiermittel eingebracht ist.