DE102007008567A1 - Servo unit has piezoelectric actuator and amplifier hub arrangement, where diaphragm partially limits pressure chamber, and is subjected to control pressure on far rear side of pressure chamber - Google Patents

Servo unit has piezoelectric actuator and amplifier hub arrangement, where diaphragm partially limits pressure chamber, and is subjected to control pressure on far rear side of pressure chamber Download PDF

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Abstract

The servo unit (1) has a piezoelectric actuator (6) and a amplifier hub arrangement (10). A pressure chamber (22) has a piston element (18) combined with larger active surface (A1) and flexible and ductile wall arrangement. A transmission element is provided with comparatively smaller active surface (A2). A diaphragm (58) partially limits the pressure chamber, and is subjected to control pressure on the far rear side of the pressure chamber. An independent claim is also included for a hydraulic valve that has a servo unit.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einem Piezoaktor versehene Stelleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a control device provided with a piezoelectric actuator according to the preamble of claim 1.

Derartige Stelleinrichtungen mit Piezoaktor und hydraulischer Hubverstärkung werden eingesetzt, wenn eine Ansteuerung eines Ventils mit hoher Präzision und Schnelligkeit erforderlich ist.such Actuators with piezo actuator and hydraulic lift amplification are used when controlling a valve with high precision and speed is required.

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.According to the DE 37 14 337 C2 Be trained with piezo actuator actuators used to operate servo valves. In this known solution, the comparatively small stroke of a piezoelectric actuator is hydraulically amplified. In this case, the adjusting movement of the piezoelectric actuator is transferred to a piston element with a comparatively large effective area which, together with a piston of smaller effective area, delimits a pressure chamber. Upon displacement of the piston element with a larger effective area of the stroke of the piston is reinforced with a smaller effective area corresponding to the area ratio and transferred directly or indirectly to a control piston of a valve on the example, a pressure medium connection between a pressure port or a tank port and at least one working port or steered is. To compensate for a leakage of the pressure chamber limited by the two piston elements, a leakage compensation device is provided in the known solution.

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.The GB 2 193 386 A discloses an actuating device in which the pressure chamber bounded by the piston element with a larger effective area and by the piston with a smaller effective area is sealed to the outside via a bellows. This bellows is on the one hand fixed to the housing and on the other hand fixed to the actuated by piezoelectric actuator piston element with a larger effective area, so that its axial movement is made possible to increase or decrease the pressure chamber. Through this bellows, the guidance and the sealing of the piston element with a larger effective area compared to the solution mentioned above is greatly simplified.

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.Especially For valves that are to be operated with high dynamics - for example Injectors of internal combustion engines - is due the small stroke of the piezoelectric actuator a very large hydraulic Path reinforcement required, due to the required Dynamism is necessary, the control piston of the valve against a comparatively to move stiff return spring. This must be done by the piezo actuator a great force will be applied and accordingly one Control electronics provided with high power become. These requirements can be found in the conventional Solutions only by a comparatively complicated control electronics and a hydraulic lifting amplifier with large Area difference meet, causing the space and the price of the actuator are significantly affected.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Stelleinrichtung zu schaffen, die eine Ansteuerung von Ventilen mit hoher Dynamik ermöglicht.the opposite the invention is the object of a to create a simple set-up device that controls a of valves with high dynamics allows.

Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by an adjusting device having the features of the patent claim 1 solved.

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.According to the invention the adjusting device with a piezoelectric actuator running over a Hubverstärkungsanordnung with large and small Effective surface acts directly or indirectly on a control piston. One of the two active surfaces limited common pressure chamber has a wall portion formed by a membrane or the like is, facing away from the pressure chamber rear of a Control pressure is acted upon, so that due to deformation the diaphragm of the pressure chamber in addition to the volume change due the stroke of the piezoelectric actuator reduced or enlarged can be. According to this additional, by the Membrane-induced volume change can increase the lift be enlarged so that, for example, the Area difference of the aforementioned effective areas Lower can be performed to the same stroke gain as to get in conventional systems.

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.at a preferred embodiment of the invention the pressure chamber in sections by an elastically deformable wall assembly limited, preferably formed by two bellows sections one of which is on one side on the piston element with larger Effective area and the other one-sided on the control piston or the acting on this transmission element with a smaller effective area is fixed. That is, the bellows sections seal the two with larger and smaller effective area executed elements of the Hubverstärkeranordnung and the resulting limited pressure chamber to the outside.

Bei einer besonders vorteilhaften Lösung erstreckt sich die Membran etwa in Radialrichtung zwischen den der größeren und der kleineren Wirkfläche zugeordneten Faltenbalgabschnitten.at a particularly advantageous solution extends the Membrane approximately in the radial direction between the larger and the smaller effective area associated bellows sections.

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.at a particularly simple construction embodiment the control piston is designed with a control edge, over the the back of the diaphragm with the control pressure or a tank pressure can be acted upon.

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.For example, one of the back Side of the membrane limited rear space via a control channel with the control piston receiving valve bore of the valve be connected, said control channel is connected by adjusting two control edges with a pressure port or a tank port of the valve.

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.to Minimization of the pressure chamber volume (dead volume) can with larger Active surface executed piston element as a stepped piston be executed, whose section of smaller diameter in the limited of the smaller effective area part of the pressure chamber dips.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Steuerkolben über eine vergleichsweise steife Rückstellfeder in Richtung einer Grundposition vorgespannt.at In a preferred embodiment, the control piston is over a comparatively stiff return spring in the direction biased to a basic position.

Zur Erfassung des Ist-Hubs des Steuerkolbens kann diesem ein Wegaufnehmer zugeordnet sein, dessen Signal von einer Ansteuerelektronik verarbeitbar ist.to Detecting the actual stroke of the control piston, this can be a transducer be assigned, whose signal can be processed by a control electronics is.

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.at The design of the system is preferably made to ensure that the stiffness and the displacement of the membrane, the stiffness of the return spring, the characteristics of the above control edges of the control piston and the pressure in the pressure chamber are coordinated so that at a phase shift from about 135 ° (stroke piezoelectric actuator and stroke control piston) a gain of the system <1 is. These interpretations can cause instabilities be minimized at high dynamics of the system.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.other advantageous developments of the invention are the subject of further Dependent claims.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:in the Below is a preferred embodiment of Invention explained in more detail with reference to schematic drawings. Show it:

1 ein Schaubild eines hydraulischen Ventils mit einem Regler und einer Stelleinrichtung mit Piezoaktor und Hubverstärkung und 1 a diagram of a hydraulic valve with a controller and a control device with piezoelectric actuator and Hubverstärkung and

2 ein Blockschaltbild des Regelkreises eines Systems gemäß 1. 2 a block diagram of the control loop of a system according to 1 ,

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. 1 shows in a simplified form a hydraulic valve 4 with an adjusting device 1 and a regulator 2 for controlling the stroke of a control piston 10 of the valve 4 , For example, a servo valve.

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.At the adjusting device 1 it is in principle a piezoelectric actuator 6 , whose stroke by a hydraulic - or better said - hydrostatic Hubverstärkeranordnung 8th is amplified and on the control piston 10 of the valve 4 acts. It should be expressly mentioned that the adjusting device 1 not only for the adjustment of control pistons 10 can be used, in principle, with such a control device, the bias of a force acting on a valve element biasing means or the like can be adjusted.

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.In the example in 1 The solution shown is the piezoelectric actuator 6 in a control room 12 a one-piece or multi-part valve housing 14 added. The control room 12 is frontally through a lid 16 sealed and connected via a unspecified tank line with a tank T, so that corre sponding in the control room 12 Tank pressure is applied. The piezo actuator 6 consists of a plurality of axially successively arranged piezoelectric disks of piezoelectric materials, which deform by applying an electrical voltage, in particular in the axial direction and thus perform a stroke. Depending on the polarity can be a shortening or an extension of the axial length of the piezoelectric actuator 6 be effected.

Das Grundprinzip derartiger Piezoelemente ist bekannt und beispielsweise auch in der DE 37 14 337 C2 beschrieben, so dass diesbezügliche weitere Auführungen entbehrlich sind.The basic principle of such piezoelectric elements is known and, for example, in the DE 37 14 337 C2 described, so that in this regard further Aufberungen are dispensable.

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.The excitation of such piezoelectric actuators 6 generated, acting in the axial direction force acts in the inventive solution on a cup-shaped piston element 18 whose front side 20 has a comparatively large effective area A1. The piston element 18 dives into a pressure room 22 one by a radial extension of the spool 10 leading valve bore 24 is formed. On a piston shirt 26 of the piston element 18 is an end of a bellows section 28 attached, the other end of the valve housing 14 is fixed. Through this bellows section 28 the pressure chamber is in the radial direction towards the control room 12 sealed. At the in 1 illustrated embodiment has the piston element 18 the Hubverstärkeranordnung 8th a slightly butted, radially recessed piston projection 30 which enters a radially recessed portion of the valve bore 24 dips. In this area is the piston bore 24 to an annulus 32 extended, which is connected via a likewise unspecified tank line with the tank T. The sealing of this annulus 32 opposite the pressure chamber 22 takes place via a further bellows section 34 , on the one hand, on a shoulder of the valve housing 32 and on the other hand on a frontal waistband 36 of the control piston 10 or attached to this acting transfer member. The frontal area of the Stirnbundes 36 is designed with an active surface A2, which is substantially smaller than the effective area A1 of the piston element 18 is. The piston projection 30 dive into these, from the bellows section 34 limited area of the pressure chamber 22 one. Through the piston protrusion 30 is the pressure medium volume in the pressure chamber 22 reduced, so that the dynamics is improved accordingly.

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.At the in 1 illustrated embodiment can via the valve 4 a connection of two working ports A, B with a pressure port P and / or a tank port T are set. In this case, the connection between the working ports A, B and said ports P and T is shut off in the illustrated basic position. When moving the control piston 10 from this basic position to the right (view after 1 ) is via a control edge 38 a connection between the working port A and the tank T and a control edge 42 opened a connection between the working port B and a pressure port P. At an axial displacement of the control piston 10 to the left is via a control edge 40 a connection from the working port A to the pressure port P and via a control edge 44 opened a connection from the working port B to the tank port T. The construction of such valves is well known, so that can be dispensed with a detailed description of the control edges forming piston collars and the associated annular spaces and channels.

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.At the in 1 illustrated embodiment is the control piston 10 via a return spring arrangement 46 in his in 1 pretensioned basic position. The stroke of the control piston 10 can be via a transducer 48 be recorded.

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.A special feature of the invention is that the control piston 10 or a corresponding component two control edges 50 . 52 are formed, via the one in the valve housing 14 trained control channel 54 with the pressure port P or the tank T is connectable. In the illustrated embodiment, the control edges 50 . 52 at a tax office 56 of the control piston 10 formed in the illustrated basic position, the connection of the tank T and the pressure port P to the control channel 54 is locked. The from the control piston 10 remote end portion of the control channel 54 flows into a back room 60 , which has an annular, the piston projection 30 encompassing membrane 58 from the pressure room 22 is separated. This membrane 58 extends in the radial direction approximately from that of the first bellows portion 28 limited area towards the bellows section 34 limited area and is pressure-tight on the peripheral walls of the valve body 14 established.

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.At an axial displacement of the control piston 10 to the right (view after 1 ) is over the control edge 50 the pressure medium connection between the pressure port P and the control channel 54 aufsteueuert, so that ensprechend in the back room 60 the high system pressure is applied to the membrane 58 bulges out to the left, leaving the volume of the pressure chamber 22 depending on the pressure in the pressure chamber 22 and the stiffness of the membrane 58 is reduced. When the control spool is moved to the left, the control edge is moved 52 a pressure medium connection between the tank T and the control channel 54 turned on, so in the back room 60 a very low pressure is applied and the membrane is arched out of the position shown to the right and corresponding to the volume of the pressure chamber 22 opposite the illustrated bulge of the membrane 58 is enlarged. That is, depending on the pressurization of the membrane 58 can the volume of the pressure chamber 22 additionally enlarged or reduced.

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.Upon excitation of the piezo actuator 6 this is for example enlarged in the axial direction, so that the resulting stroke on the piston element 18 is transmitted and this in the direction of a reduction of the pressure chamber 22 emotional. That about the piston element 18 displaced pressure medium volume causes an axial displacement of the control piston 10 , wherein the stroke is amplified in accordance with the area ratio A1 / A2.

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.The resulting axial displacement of the control piston 10 takes place against the force of the return spring arrangement 46 , wherein after passing over the cover over the control edge 50 the pressure medium connection between the control channel 54 and the pressure port P is turned on, so that in the rear space 60 the system pressure is applied and the membrane 58 is bulged to the left and displaced accordingly further volume, whereby an additional Hubverstärkung takes place. About the control edges 50 . 52 thus can the pressure in the backspace 60 be modulated and a Hubverstärkung on the control piston 10 be effected. The stroke of the control piston 10 dependent reinforcement across the membrane 58 thus represents a positive feedback.

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.The result of the excitation of the piezo-processor 6 caused stroke is via the transducer 48 detected and compared as an actual value (-x) with a desired value (w), which is predetermined for example via a joystick or the like. From the present control deviation (w - x) is then via the controller 2 a new actuating signal for controlling the piezoelectric actuator 6 generated.

In 2 ist das Blockschaubild eines derartigen Regelkreises dargestellt.In 2 the block diagram of such a control loop is shown.

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.The from the piezoelectric actuator 6 applied force F Pi ezo counteracts that described in more detail below, on the front page 20 acting compressive force -F in the pressure chamber 22 on the piston element 18 , so that it is acted upon by a resultant force .DELTA.F. The piston element 18 leads according to the characteristic assigned to it 62 a hub 18 through, being dependent on the over the characteristic 64 reproduced constant frontal surface the volume of the pressure chamber 22 is reduced. The resulting volume change ΔV (sum of the pressure chamber 22 taken volume and the volume displaced therefrom causes a by the characteristic 66 reproduced pressure change in the pressure chamber 22 depending on the stroke of the piston element 18 and the control piston 10 , This pressure in the pressure room 22 acts according to the marked feedback on the front page 20 of the piston element with the area A1 (characteristic 64 ), so that the resultant force -F acts against the force F piezo .

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 –FR (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

Figure 00080001
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.The due to the volume change in the pressure chamber 22 applied pressure acts according to the characteristic 68 on the end face A2 of the control piston 10 , so that it is acted upon by a force which, contrary to the first approximate constant force -F R (characteristic 67 ) of the return spring arrangement 46 acts. The resulting force acts on the through the characteristic 70 reproduced constant mass of the control piston 10 , so that it is accelerated with the acceleration ÿ (characteristic 72 ), and get a speed
Figure 00080001
according to the characteristic 74 established. The control piston 10 thus results in a lift y against the assumed as a constant spring force of the return assembly 46 by. The procedure for the control piston 10 required force counteracts that of the piezoelectric actuator 6 on the control piston 10 transmitted force.

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.Due to the stroke of the control piston 10 will be according to the characteristics 76 the control edges 50 respectively. 52 the pressure medium connection of the control channel 54 to the pressure port P and the tank port T turned on. Corresponding to the constant membrane surface (represented by the characteristic curve 76 ) and the characteristics of the control edges 50 . 52 and so on the membrane 58 acting pressure in the back room 60 leads the membrane 58 one by the characteristic 80 reproduced stroke, so that additional pressure medium in the pressure chamber 22 is displaced. The resulting volume change .DELTA.V thus results from the sum of the over the piston element 18 and over the membrane 58 displaced volume minus the due to the stroke of the control piston 10 taken volume.

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.The aforementioned characteristics, in particular the rigidity and the displacement volume of the membrane 58 , the spring rate of the return spring arrangement 46 , the characteristics of the control edges 50 . 52 as well as the system pressure at the pressure port P are coordinated so that the gain of the system at a phase shift of about 135 ° <1, so that instabilities of the system are avoided.

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.As mentioned above, the inventive Actuating device with a piezoelectric actuator, a hydrostatic Hubverstärkung and additional stroke reinforcement by means of membrane also for the operation of other stroke-dependent Actuators are used.

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.Disclosed is an actuator with a on a hydraulic Hubverstärkeranordnung acting piezoelectric actuator, wherein a larger effective area of Hubverstärkeranordnung together with a smaller effective area a control piston or a transmission element a Pressure chamber limited, so that an adjusting movement of the piezoelectric actuator transferable to the control piston or the transmission element is. According to the invention, the pressure chamber is in sections bounded by a membrane whose rear side facing away from the pressure chamber can be acted upon by a control pressure.

11
Stelleinrichtungsetting device
22
Reglerregulator
44
VentilValve
66
Piezoaktorpiezo actuator
88th
HubverstärkeranordnungHubverstärkeranordnung
1010
Steuerkolbenspool
1212
Steuerraumcontrol room
1414
Ventilgehäusevalve housing
1616
Deckelcover
1818
Kolbenelementpiston element
2020
Stirnseitefront
2222
Druckraumpressure chamber
2424
Ventilbohrungvalve bore
2626
Kolbenhemdskirt
2828
Faltenbalgabschnittbellows
3030
Kolbenvorsprungpiston projection
3232
Ringraumannulus
3434
Faltenbalgabschnittbellows
3636
Stirnbundend union
3838
Steuerkantecontrol edge
4040
Steuerkantecontrol edge
4242
Steuerkantecontrol edge
4444
Steuerkantecontrol edge
4646
RückstellfederanordnungReturn spring arrangement
4848
Wegaufnehmertransducer
5050
Steuerkantecontrol edge
5252
Steuerkantecontrol edge
5454
Steuerkanalcontrol channel
5656
Steuerbundcontrol collar
5858
Membranmembrane
6060
Rückraumbackcourt
6262
Kennlinie (Hub)curve (Stroke)
6464
Kennlinie (Fläche A1)curve (Area A1)
6666
Kennlinie (ΔV)curve (.DELTA.V)
6868
Kennlinie (Fläche A2)curve (Area A2)
6969
Kennlinie (Rückstellfeder)curve (Return spring)
7070
Kennlinie (Masse 10)Characteristic (mass 10 )
7272
Kennlinie (Beschleunigung)curve (Acceleration)
7474
Kennlinie (Geschwindigkeit)curve (Speed)
7676
Kennlinie (Membranfläche)curve (Membrane area)
7878
Kennlinie (Steuerkante 50, 52)Characteristic (control edge 50 . 52 )
8080
Kennlinie (Membranhub)curve (Cone excursion)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 3714337 C2 [0003, 0024] - DE 3714337 C2 [0003, 0024]
  • - GB 2193386 A [0004] - GB 2193386 A [0004]

Claims (10)

Stelleinrichtung mit einem Piezoaktor (6), und einer Hubverstärkeranordnung, deren Kolbenelement (18) mit größerer Wirkfläche (A1) gemeinsam mit einer – vorzugsweise elastisch verformbaren – Wandungsanordnung (28, 34) und einem Steuerkolben (10) oder einem Übertragungselement mit vergleichsweise kleinerer Wirkfläche (A2) einen Druckraum (22) begrenzen, so dass eine Stellbewegung des Piezoaktors (6) über die Hubverstärkeranordnung auf den Steuerkolben (10) oder das Übertragungselement wirkt, gekennzeichnet durch eine den Druckraum (22) abschnittsweise begrenzende Membran (58), deren vom Druckraum (22) abgewandte Rückseite von einem Steuerdruck beaufschlagbar ist.Actuation device with a piezoelectric actuator ( 6 ), and a Hubverstärkeranordnung whose piston element ( 18 ) with a larger effective area (A1) together with a - preferably elastically deformable - wall arrangement ( 28 . 34 ) and a control piston ( 10 ) or a transmission element with a comparatively smaller effective area (A2) a pressure chamber ( 22 ), so that an actuating movement of the piezoelectric actuator ( 6 ) via the Hubverstärkeranordnung on the control piston ( 10 ) or the transmission element acts, characterized by a pressure chamber ( 22 ) sectionally limiting membrane ( 58 ), whose from the pressure chamber ( 22 ) facing away from the rear side of a control pressure can be acted upon. Stelleinrichtung nach Patentanspruch 1, wobei ein Wandungsbereich des Druckraums (22) durch zwei Faltenbalgabschnitte (28, 34) oder dergleichen gebildet ist, von denen einer an dem Kolbenelement (18) mit größerer Wirkfläche (A1) einseitig und der andere einseitig am Steuerkolben (10) oder dem Übertragungselement festgelegt ist.Setting device according to claim 1, wherein a wall region of the pressure chamber ( 22 ) by two bellows sections ( 28 . 34 ) or the like, one of which on the piston element ( 18 ) with larger effective area (A1) on one side and the other one-sided on the control piston ( 10 ) or the transmission element is fixed. Stelleinrichtung nach Patentanspruch 2, wobei sich die Membran (58) etwa in Radialrichtung zwischen den beiden Faltenbalgabschnitten (28, 34) erstreckt.Adjusting device according to claim 2, wherein the membrane ( 58 ) approximately in the radial direction between the two bellows sections ( 28 . 34 ). Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Steuerkolben (10) oder das Übertragungselement Steuerkanten (50, 52) hat, über die die Rückseite der Membran (58) mit dem Steuerdruck beaufschlagbar ist.Adjusting device according to one of the preceding claims, wherein the control piston ( 10 ) or the transmission element control edges ( 50 . 52 ), over which the back of the membrane ( 58 ) can be acted upon by the control pressure. Stelleinrichtung nach Patentanspruch 4, wobei ein von der Rückseite der Membran (58) begrenzter Rückraum (60) über einen Steuerkanal (54) mit einer den Steuerkolben (10) aufnehmenden Ventilbohrung (24) verbunden ist, wobei der Rückraum (60) durch Verstellen der Steuerkanten (50, 52) mit einem Druckanschluss (P) oder einem Tankanschluss (T) verbindbar ist.Adjusting device according to claim 4, wherein one of the back of the membrane ( 58 ) limited back space ( 60 ) via a control channel ( 54 ) with a control piston ( 10 ) receiving valve bore ( 24 ), the back space ( 60 ) by adjusting the control edges ( 50 . 52 ) is connectable to a pressure port (P) or a tank port (T). Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Kolbenelement (18) mit größerer Wirkfläche (A2) als Stufenkolben ausgeführt ist.Actuating device according to one of the preceding claims, wherein the piston element ( 18 ) with a larger effective area (A2) is designed as a stepped piston. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Steuerkolben (10) über eine Rückstellfederanordnung (46) in Richtung des Kolbenelements (18) vorgespannt ist.Adjusting device according to one of the preceding claims, wherein the control piston ( 10 ) via a return spring arrangement ( 46 ) in the direction of the piston element ( 18 ) is biased. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Wegaufnehmer (48) zum Erfassen des Hubs (y).Actuating device according to one of the preceding claims, having a position transducer ( 48 ) for detecting the stroke (y). Stelleinrichtung nach einem der auf die Ansprüche 1, 4 und 7 bezogenen Ansprüche, wobei die Steifigkeit und das Verdrängungsvolumen der Membran (58), die Federrate der Rückstellfederanordnung (46), die Kennlinien der Steuerkanten (50, 52) sowie der Systemdruck im Druckraum (22) derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Phasenverschiebung zwischen dem Hub des Piezoaktors (6) und dem Hub (y) des Steuerkolbens (10) von etwa 135° eine Verstärkung des Systems ≤ 1 ist.Actuating device according to one of the claims 1, 4 and 7, wherein the stiffness and the displacement volume of the membrane ( 58 ), the spring rate of the return spring arrangement ( 46 ), the characteristics of the control edges ( 50 . 52 ) as well as the system pressure in the pressure chamber ( 22 ) are matched to one another such that in the case of a phase shift between the stroke of the piezoelectric actuator ( 6 ) and the stroke (y) of the control piston ( 10 ) of about 135 ° is a gain of the system ≤ 1. Hydraulisches Ventil mit einer Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Hydraulic valve with an adjusting device according to one of claims 1 to 9.
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