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Die
Erfindung betrifft eine mit einem Piezoaktor versehene Stelleinrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige
Stelleinrichtungen mit Piezoaktor und hydraulischer Hubverstärkung
werden eingesetzt, wenn eine Ansteuerung eines Ventils mit hoher Präzision
und Schnelligkeit erforderlich ist.
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Gemäß der
DE 37 14 337 C2 werden
mit Piezoaktor ausgebildete Stelleinrichtungen zur Betätigung
von Servoventilen verwendet. Bei dieser bekannten Lösung
wird der vergleichsweise geringe Hub eines Piezoaktors hydraulisch
verstärkt. Dabei wird die Stellbewegung des Piezoaktors
auf ein Kolbenelement mit vergleichsweise großer Wirkfläche übertragen,
das gemeinsam mit einem Kolben geringerer Wirkfläche einen
Druckraum begrenzt. Bei einer Verschiebung des Kolbenelements mit
größerer Wirkfläche wird der Hub des
Kolbens mit kleinerer Wirkfläche entsprechend des Flächenverhältnises verstärkt
und direkt oder mittelbar auf einen Steuerkolben eines Ventils übertragen, über
das beispielsweise eine Druckmittelverbindung zwischen einem Druckanschluss
oder einem Tankanschluss und zumindest einem Arbeitsanschluss auf-
oder zusteuerbar ist. Zum Ausgleich einer Leckage des von den beiden
Kolbenelementen begrenzten Druckraums ist bei der bekannten Lösung
eine Leckageausgleichseinrichtung vorgesehen.
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Die
GB 2 193 386 A offenbart
eine Stelleinrichtung, bei der der vom Kolbenelement mit größerer Wirkfläche
und vom Kolben mit kleinerer Wirkfläche begrenzte Druckraum über
einen Faltenbalg nach aussen abgedichtet ist. Dieser Faltenbalg
ist einerseits gehäusefest und andererseits an dem von
Piezoaktor betätigten Kolbenelement mit größerer
Wirkfläche befestigt, so dass dessen Axialbewegung zur Vergrößerung
oder Verkleinerung des Druckraums ermöglicht wird. Durch
diesen Faltenbalg ist die Führung und die Abdichtung des
Kolbenelements mit größerer Wirkfläche
gegenüber der eingangs genannten Lösung ganz wesentlich
vereinfacht.
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Insbesondere
bei Ventilen, die mit hoher Dynamik betrieben werden sollen – beispielsweise
Einspritzventilen von Verbrennungsmotoren – ist aufgrund
des geringen Hubs des Piezoaktors eine sehr große hydraulische
Wegverstärkung erforderlich, wobei es aufgrund der geforderten
Dynamik notwendig ist, den Steuerkolben des Ventils gegen eine vergleichsweise
steife Rückstellfeder zu verschieben. Dazu muss vom Piezoaktor
eine große Kraft aufgebracht werden und entsprechend eine
Ansteuerelektronik mit hoher Leistung zur Verfügung gestellt
werden. Diese Anforderungen lassen sich bei den herkömmlichen
Lösungen nur durch eine vergleichsweise aufwendige Ansteuerelektronik
und einen hydraulischen Hubverstärker mit großer
Flächendifferenz erfüllen, wodurch der Bauraum
und der Preis der Stelleinrichtung wesentlich beeinflusst sind.
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Dem
gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
einfach aufgebaute Stelleinrichtung zu schaffen, die eine Ansteuerung
von Ventilen mit hoher Dynamik ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
die Stelleinrichtung mit einem Piezoaktor ausgeführt, der über
eine Hubverstärkungsanordnung mit großer und kleiner
Wirkfläche direkt oder mittelbar auf einen Steuerkolben wirkt.
Ein von den beiden Wirkflächen begrenzter gemeinsamer Druckraum
hat einen Wandungsabschnitt, der durch eine Membran oder dergleichen gebildet
ist, deren vom Druckraum abgewandte Rückseite von einem
Steuerdruck beaufschlagbar ist, so dass aufgrund einer Verformung
der Membran der Druckraum zusätzlich zur Volumenveränderung aufgrund
des Hubs des Piezoaktors verkleinert oder vergrößert
werden kann. Entsprechend dieser zusätzlichen, durch die
Membran verursachten Volumenänderung kann die Hubverstärkung
vergrößert werden, so dass beispielsweise die
Flächendifferenz der eingangs genannten Wirkflächen
geringer ausgeführt werden kann, um die gleiche Hubverstärkung wie
bei herkömmlichen Systemen zu erhalten.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
der Druckraum abschnittsweise durch eine elastisch verformbare Wandungsanordnung
begrenzt, die vorzugsweise durch zwei Faltenbalgabschnitte gebildet
ist, von denen einer einseitig am Kolbenelement mit größerer
Wirkfläche und der andere einseitig am Steuerkolben oder
dem auf diesen wirkenden Übertragungselement mit kleinerer Wirkfläche
festgelegt ist. D. h., die Faltenbalgabschnitte dichten die beiden
mit größerer und kleinerer Wirkfläche
ausgeführten Elemente der Hubverstärkeranordnung
und den dadurch begrenzten Druckraum nach aussen hin ab.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Lösung erstreckt sich die
Membran etwa in Radialrichtung zwischen den der größeren
und der kleineren Wirkfläche zugeordneten Faltenbalgabschnitten.
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Bei
einem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel
ist der Steuerkolben mit einer Steuerkante ausgeführt, über
die die Rückseite der Membran mit dem Steuerdruck oder
einem Tankdruck beaufschlagbar ist.
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Dazu
kann beispielsweise ein von der Rückseite der Membran begrenzter
Rückraum über einen Steuerkanal mit einer den
Steuerkolben aufnehmenden Ventilbohrung des Ventils verbindbar sein,
wobei dieser Steuerkanal durch Verstellen zweier Steuerkanten mit
einem Druckanschluss oder einem Tankanschluss des Ventils verbindbar
ist.
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Zur
Minimierung des Druckraumvolumens (Totvolumen) kann das mit größerer
Wirkfläche ausgeführte Kolbenelement als Stufenkolben
ausgeführt sein, dessen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser
in den von der kleineren Wirkfläche begrenzten Teil des Druckraums
eintaucht.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Steuerkolben über
eine vergleichsweise steife Rückstellfeder in Richtung
einer Grundposition vorgespannt.
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Zur
Erfassung des Ist-Hubs des Steuerkolbens kann diesem ein Wegaufnehmer
zugeordnet sein, dessen Signal von einer Ansteuerelektronik verarbeitbar
ist.
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Bei
der Auslegung des Systems wird vorzugsweise darauf geachtet, dass
die Steifigkeit und das Verdrängungsvolumen der Membran,
die Steifigkeit der Rückstellfeder, die Kennlinien der
oben genannten Steuerkanten des Steuerkolbens und der Druck im Druckraum
so aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Phasenverschiebung
von etwa 135° (Hub Piezoaktor und Hub Steuerkolben) eine Verstärkung
des Systems < 1
ist. Druch diese Auslegungen können Instabilitäten
des Systems bei hoher Dynamik minimiert werden.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Schaubild eines hydraulischen Ventils mit einem Regler und einer
Stelleinrichtung mit Piezoaktor und Hubverstärkung und
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2 ein
Blockschaltbild des Regelkreises eines Systems gemäß 1.
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1 zeigt
in stark vereinfachter Form ein hydraulisches Ventil 4 mit
einer Stelleinrichtung 1 und einem Regler 2 zur
Regelung des Hubs eines Steuerkolbens 10 des Ventils 4,
beispielsweise eines Servoventils.
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Bei
der Stelleinrichtung 1 handelt es sich im Prinzip um einen
Piezoaktor 6, dessen Hub durch eine hydraulische – oder
besser gesagt – hydrostatische Hubverstärkeranordnung 8 verstärkt
wird und auf den Steuerkolben 10 des Ventils 4 wirkt.
Es sei ausdrücklich erwähnt, dass die Stelleinrichtung 1 nicht
nur zur Verstellung von Steuerkolben 10 verwendet werden
kann, prinzipiell kann mit einer derartigen Stelleinrichtung auch
die Vorspannung einer auf ein Ventilelement wirkenden Vorspanneinrichtung oder
dergleichen verstellt werden.
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Bei
der beispielhaft in 1 dargestellten Lösung
ist der Piezoaktor 6 in einem Steuerraum 12 eines
ein- oder mehrteiligen Ventilgehäuses 14 aufgenommen.
Der Steuerraum 12 ist stirnseitig durch einen Deckel 16 abgedichtet
und über eine nicht näher bezeichnete Tankleitung
mit einem Tank T verbunden, so dass entpsrechend im Steuerraum 12 Tankdruck
anliegt. Der Piezoaktor 6 besteht aus einer Vielzahl von
axial hintereinander liegend angeordneten Piezoscheiben aus piezoelektrischen
Materialien, die sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung insbesondere
in Axialrichtung verformen und somit einen Hub durchführen.
Je nach Polung kann dabei eine Verkürzung oder eine Verlängerung
der Axiallänge des Piezoaktors 6 bewirkt werden.
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Das
Grundprinzip derartiger Piezoelemente ist bekannt und beispielsweise
auch in der
DE 37 14 337
C2 beschrieben, so dass diesbezügliche weitere Auführungen
entbehrlich sind.
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Die
durch Erregung derartiger Piezoaktoren 6 generierte, in
Axialrichtung wirkende Kraft wirkt bei der erfindungsgemäßen
Lösung auf ein tassenförmiges Kolbenelement 18,
dessen Stirnseite 20 eine vergleichsweise große
Wirkfläche A1 hat. Das Kolbenelement 18 taucht
in einen Druckraum 22 ein, der durch eine Radialerweiterung
einer den Steuerkolben 10 führenden Ventilbohrung 24 gebildet ist.
An einem Kolbenhemd 26 des Kolbenelements 18 ist
ein Ende eines Faltenbalgabschnitts 28 befestigt, dessen
anderes Ende am Ventilgehäuse 14 festgelegt ist.
Durch diesen Faltenbalgabschnitt 28 wird der Druckraum
in Radialrichtung hin zum Steuerraum 12 abgedichtet. Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat
das Kolbenelement 18 der Hubverstärkeranordnung 8 einen
leicht konifizierten, radial zurückgesetzten Kolbenvorsprung 30,
der in einen radial zurückgestuften Teil der Ventilbohrung 24 eintaucht.
In diesem Bereich ist die Kolbenbohrung 24 zu einem Ringraum 32 erweitert,
der über eine ebenfalls nicht näher bezeichnete
Tankleitung mit dem Tank T verbunden ist. Die Abdichtung dieses
Ringraums 32 gegenüber dem Druckraum 22 erfolgt über
einen weiteren Faltenbalgabschnitt 34, der einerseits an
einer Schulter des Ventilgehäuses 32 und andererseits
an einem Stirnbund 36 des Steuerkolbens 10 oder
eines auf diesen wirkenden Übertragungsglieds befestigt
ist. Die Stirnfläche des Stirnbundes 36 ist dabei
mit einer Wirkfläche A2 ausgeführt, die wesentlich
kleiner als die Wirkfläche A1 des Kolbenelements 18 ist.
Der Kolbenvorsprung 30 taucht in diesen, vom Faltenbalgabschnitt 34 begrenzten
Bereich des Druckraums 22 ein. Durch den Kolbenvorsprung 30 wird
das Druckmittelvolumen im Druckraum 22 verringert, so dass
die Dynamik entsprechend verbessert ist.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann über
das Ventil 4 eine Verbindung zweier Arbeitsanschlüsse
A, B mit einem Druckanschluss P und/oder einem Tankanschluss T eingestellt
werden. Dabei ist die Verbindung zwischen den Arbeitsanschlüssen
A, B und den genannten Anschlüssen P und T in der dargestellten
Grundposition abgesperrt. Bei Verschieben des Steuerkolbens 10 aus
dieser Grundposition nach rechts (Ansicht nach 1)
wird über eine Steuerkante 38 eine Verbindung
zwischen dem Arbeitsanschluss A und dem Tank T und über eine
Steuerkante 42 eine Verbindung zwischen Arbeitsanschluss
B und einem Druckanschluss P aufgesteuert. Bei einer Axialverschiebung
des Steuerkolbens 10 nach links wird über eine
Steuerkante 40 eine Verbindung vom Arbeitsanschluss A zum
Druckanschluss P und über eine Steuerkante 44 eine
Verbindung vom Arbeitsanschluss B zum Tankanschluss T aufgesteuert.
Der Aufbau derartiger Ventile ist hinlänglich bekannt,
so dass auf eine ausführliche Beschreibung der die Steuerkanten
ausbildenden Kolbenbunde und der zugeordneten Ringräume
und Kanäle verzichtet werden kann.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Steuerkolben 10 über eine Rückstellfederanordnung 46 in
seine in 1 dargestellte Grundposition vorgespannt.
Der Hub des Steuerkolbens 10 kann über einen Wegaufnehmer 48 erfasst werden.
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Eine
Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass am Steuerkolben 10 oder
einem entsprechenden Bauelement zwei Steuerkanten 50, 52 ausgebildet
sind, über die ein im Ventilgehäuse 14 ausgebildeter
Steuerkanal 54 mit dem Druckanschluss P oder dem Tank T
verbindbar ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Steuerkanten 50, 52 an einem Steuerbund 56 des
Steuerkolbens 10 ausgebildet, wobei in der dargestellten
Grundposition die Verbindung des Tanks T und des Druckanschlusses
P zum Steuerkanal 54 abgesperrt ist. Der vom Steuerkolben 10 entfernte
Endabschnitt des Steuerkanals 54 mündet in einem
Rückraum 60, der über eine ringförmige,
den Kolbenvorsprung 30 umgreifende Membran 58 vom
Druckraum 22 abgetrennt ist. Diese Membran 58 erstreckt
sich in Radialrichtung etwa von dem vom ersten Faltenbalgabschnitt 28 begrenzten
Bereich hin zu dem vom Faltenbalgabschnitt 34 begrenzten
Bereich und ist druckmitteldicht an den Umfangswandungen des Ventilgehäuses 14 festgelegt.
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Bei
einer Axialverschiebung des Steuerkolbens 10 nach rechts
(Ansicht nach 1) wird über die Steuerkante 50 die
Druckmittelverbindung zwischen dem Druckanschluss P und dem Steuerkanal 54 aufgesteuert,
so dass ensprechend im Rückraum 60 der hohe Systemdruck
anliegt, der die Membran 58 nach links auswölbt,
so dass das Volumen des Druckraums 22 in Abhängigkeit
von dem Druck im Druckraum 22 und der Steifigkeit der Membran 58 verringert
wird. Bei einer Verschiebung des Steuerkolbens nach links wird über
die Steuerkante 52 eine Druckmittelverbindung zwischen
dem Tank T und dem Steuerkanal 54 aufgesteuert, so dass
im Rückraum 60 ein sehr geringer Druck anliegt
und die Membran aus der dargestellten Position nach rechts ausgewölbt
wird und entsprechend das Volumen des Druckraums 22 gegenüber
der dargestellten Auswölbung der Membran 58 vergrößert
wird. D. h., je nach Druckbeaufschlagung der Membran 58 kann
das Volumen des Druckraums 22 zusätzlich vergrößert
oder verkleinert werden.
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Bei
Erregung des Piezoaktors 6 wird dieser beispielsweise in
Axialrichtung vergrößert, so dass der resultierende
Hub auf das Kolbenelement 18 übertragen wird und
dieses sich in Richtung einer Verkleinerung des Druckraums 22 bewegt.
Das über das Kolbenelement 18 verdrängte
Druckmittelvolumen bewirkt eine Axialverschiebung des Steuerkolbens 10,
wobei der Hub entsprechend des Flächenverhältnisses
A1/A2 verstärkt ist.
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Die
resultierende Axialverschiebung des Steuerkolbens 10 erfolgt
gegen die Kraft der Rückstellfederanordnung 46,
wobei nach Überfahren der Überdeckung über
die Steuerkante 50 die Druckmittelverbindung zwischen dem
Steuerkanal 54 und dem Druckanschluss P aufgesteuert wird,
so dass im Rückraum 60 der Systemdruck anliegt
und die Membran 58 nach links ausgewölbt wird
und entsprechend weiteres Volumen verdrängt, wodurch eine
zusätzliche Hubverstärkung erfolgt. Über
die Steuerkanten 50, 52 kann somit der Druck im
Rückraum 60 moduliert werden und eine Hubverstärkung
am Steuerkolben 10 bewirkt werden. Die vom Hub des Steuerkolbens 10 abhängige
Verstärkung über die Membran 58 stellt
somit eine Mitkopplung dar.
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Der
aufgrund der Erregung des Piezoakors 6 bewirkte Hub wird über
den Wegaufnehmer 48 erfasst und als Ist-Wert (–x)
mit einem Sollwert (w) verglichen, der beispielsweise über
einen Joystick oder dergleichen vorgegeben ist. Aus der vorliegenden Regelabweichung
(w – x) wird dann über den Regler 2 ein
neues Stellsignal zur Ansteuerung des Piezoaktors 6 generiert.
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In 2 ist
das Blockschaubild eines derartigen Regelkreises dargestellt.
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Die
vom Piezoaktor 6 aufgebrachte Kraft FPiezo wirkt
entgegen der im Folgenden noch näher beschriebenen, auf
die Stirnseite 20 wirkenden Druckkraft –F im Druckraum 22 auf
das Kolbenelement 18, so dass dieses mit einer resultierenden
Kraft ΔF beaufschlagt ist. Das Kolbenelement 18 führt
entsprechend der diesem zugeordnete Kennlinie 62 einen Hub 18 durch,
wobei in Abhängigkeit von der über die Kennlinie 64 wiedergegebenen
konstanten stirnseitigen Fläche das Volumen des Druckraums 22 verringert
wird. Die resultierende Volumenänderung ΔV (Summe
des aus dem Druckraum 22 entnommenen Volumens und des daraus
verdrängten Volumens) bewirkt eine durch die Kennlinie 66 wiedergegebene Druckänderung
im Druckraum 22 in Abhängigkeit vom Hub des Kolbenelements 18 und
des Steuerkolbens 10. Dieser Druck im Druckraum 22 wirkt
gemäß der eingezeichneten Rückkopplung
auf die Stirnseite 20 des Kolbenelementes mit der Fläche
A1 (Kennlinie 64), so dass die resultierende Kraft –F
entgegen der Kraft FPiezo wirkt.
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Der
aufgrund der Volumenänderung im Druckraum
22 anliegende
Druck wirkt gemäß der Kennlinie
68 auf
die Stirnfläche A2 des Steuerkolbens
10, so dass
dieser mit einer Kraft beaufschlagt wird, die entgegen der in erster
Näherung konstanten Kraft –F
R (Kennlinie
67)
der Rückstellfederanordnung
46 wirkt. Die resultierende
Kraft beaufschlagt die durch die Kennlinie
70 wiedergegebene
konstante Masse des Steuerkolbens
10, so dass dieser mit
der Beschleunigung ÿ beschleunigt wird (Kennlinie
72), und
sich eine Geschwindigkeit
gemäß der
Kennlinie
74 einstellt. Der Steuerkolben
10 führt
somit einen Hub y gegen die als konstant angenommene Federkraft
der Rückstellanordnung
46 durch. Die zum Verfahren
des Steuerkolbens
10 erforderliche Kraft wirkt entgegen
der vom Piezoaktor
6 auf den Steuerkolben
10 übertragenen
Kraft.
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Aufgrund
des Hubs des Steuerkolbens 10 wird entsprechend der Kennlinien 76 der
Steuerkanten 50 bzw. 52 die Druckmittelverbindung
des Steuerkanals 54 zum Druckanschluss P bzw. zum Tankanschluss
T aufgesteuert. Entsprechend der konstanten Membranfläche
(wiedergegeben durch die Kennlinie 76) und der Kennlinien
der Steuerkanten 50, 52 und damit des auf die
Membran 58 wirkenden Drucks im Rückraum 60 führt
die Membran 58 einen durch die Kennlinie 80 wiedergegebenen
Hub durch, so dass zusätzlich Druckmittel im Druckraum 22 verdrängt
wird. Die resultierende Volumenänderung ΔV ergibt
sich somit aus der Summe des über das Kolbenelement 18 und über
die Membran 58 verdrängten Volumens abzüglich
des aufgrund des Hubs des Steuerkolbens 10 entnommenen
Volumens.
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Die
vorgenannten Kennlinien, insbesondere die Steifigkeit und das Verdrängungsvolumen
der Membran 58, die Federrate der Rückstellfederanordnug 46,
die Kennlinien der Steuerkanten 50, 52 sowie der
Systemdruck am Druckanschluss P sind so aufeinander abgestimmt,
dass die Verstärkung des Systems bei einer Phasenverschiebung
von etwa 135° < 1
ist, so dass Instabilitäten des Systems vermieden werden.
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Wie
eingangs erwähnt, kann die erfindungsgemäße
Stelleinrichtung mit einem Piezoaktor, einer hydrostatischen Hubverstärkung
und zusätzlicher Hubverstärkung mittels Membran
auch zur Betätigung von sonstigen hubabhängigen
Stellelementen verwendet werden.
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Offenbart
ist eine Stelleinrichtung mit einem auf eine hydraulische Hubverstärkeranordnung
wirkenden Piezoaktor, wobei eine größere Wirkfläche der
Hubverstärkeranordnung gemeinsam mit einer kleineren Wirkfläche
eines Steuerkolbens oder eines Übertragungselementes einen
Druckraum begrenzt, so dass eine Verstellbewegung des Piezoaktors
auf den Steuerkolben oder das Übertragungselement übertragbar
ist. Erfindungsgemäß ist der Druckraum abschnittsweise
durch eine Membran begrenzt, deren vom Druckraum abgewandte Rückseite
von einem Steuerdruck beaufschlagbar ist.
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- 1
- Stelleinrichtung
- 2
- Regler
- 4
- Ventil
- 6
- Piezoaktor
- 8
- Hubverstärkeranordnung
- 10
- Steuerkolben
- 12
- Steuerraum
- 14
- Ventilgehäuse
- 16
- Deckel
- 18
- Kolbenelement
- 20
- Stirnseite
- 22
- Druckraum
- 24
- Ventilbohrung
- 26
- Kolbenhemd
- 28
- Faltenbalgabschnitt
- 30
- Kolbenvorsprung
- 32
- Ringraum
- 34
- Faltenbalgabschnitt
- 36
- Stirnbund
- 38
- Steuerkante
- 40
- Steuerkante
- 42
- Steuerkante
- 44
- Steuerkante
- 46
- Rückstellfederanordnung
- 48
- Wegaufnehmer
- 50
- Steuerkante
- 52
- Steuerkante
- 54
- Steuerkanal
- 56
- Steuerbund
- 58
- Membran
- 60
- Rückraum
- 62
- Kennlinie
(Hub)
- 64
- Kennlinie
(Fläche A1)
- 66
- Kennlinie
(ΔV)
- 68
- Kennlinie
(Fläche A2)
- 69
- Kennlinie
(Rückstellfeder)
- 70
- Kennlinie
(Masse 10)
- 72
- Kennlinie
(Beschleunigung)
- 74
- Kennlinie
(Geschwindigkeit)
- 76
- Kennlinie
(Membranfläche)
- 78
- Kennlinie
(Steuerkante 50, 52)
- 80
- Kennlinie
(Membranhub)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3714337
C2 [0003, 0024]
- - GB 2193386 A [0004]
