DE10321695A1 - Tensile spring for piezoelectric or magnetostrictive actor actuating fuel injection valve in car fuel injection systems - Google Patents

Tensile spring for piezoelectric or magnetostrictive actor actuating fuel injection valve in car fuel injection systems Download PDF

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Abstract

Tensile string (1) for piezoelectric or magnetostrictive actor (2) actuates e.g. fuel injection valves of car fuel injection systems. Actor comprises at least one piezoelectric or magnetostrictive element (3) and spring has rectangular base surface. Typically base surface is square and spring is bracket- or U-shaped with two shank protruding from base surface, including right angle with base surface. Top edges of shanks may contain each outwards protruding rims.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zugfeder für einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor nach der Gattung des Hauptanspruchs.The Invention is based on a tension spring for a piezoelectric or magnetostrictive actuator according to the genus of the main claim.

Üblicherweise werden piezoelektrische und magnetostriktive Aktoren zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen zur Vermeidung von Zug- und Scherkräften durch eine Feder vorgespannt. Gewöhnlich wird zur Erzeugung einer Vorspannung die auch bei geschlossenem Brennstoffeinspritzventil vorhandene Restspannung der Rückstellfeder des Brennstoffeinspritzventils genutzt.Usually are piezoelectric and magnetostrictive actuators for the actuation of Fuel injectors for Fuel injection systems of internal combustion engines for avoidance of tensile and shear forces biased by a spring. Usually is used to generate a Preload that exists even when the fuel injector is closed Residual tension of the return spring of the fuel injector.

Beispielsweise ist aus der DE 199 51 012 A1 ein Aktor, insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, bekannt, welcher mehrere gestapelt angeordnete Schichten aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Material aufweist. Der Aktor wird durch einen in einer zentralen Ausnehmung angeordneten Zuganker mittels gegenläufiger Gewinde vorgespannt. Die Fixierung und Kraftübertragung erfolgt über eine Deckplatte und eine Bodenplatte.For example, from the DE 199 51 012 A1 an actuator, in particular for actuating fuel injection valves for fuel injection systems of internal combustion engines, is known, which has a plurality of layers of a piezoelectric or magnetostrictive material arranged in a stack. The actuator is pretensioned by a tie rod arranged in a central recess by means of opposite threads. The fixation and power transmission takes place via a cover plate and a base plate.

Nachteilig an dieser Bauform ist dabei insbesondere die Notwendigkeit, den Stapelaktor hohl zu gestalten, um den Zuganker in der Ausnehmung unterbringen zu können. Dadurch wird der Aktor noch beschädigungsanfälliger bei Montage und Betrieb.adversely What is particularly important about this design is that Hollow stack actuator to make the tie rod in the recess to be able to accommodate. This makes the actuator even more susceptible to damage during assembly and operation.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die erfindungsgemäße Zugfeder für einen Aktor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine rechteckige oder quadratische Grundfläche eine einfache Herstellbarkeit des Aktors erlaubt, da das kristalline Material leichter in eine rechteckige als in eine runde Form zu bringen ist. Die Herstellung einer rechteckigen Zugfeder ist ebenfalls einfacher als die Herstellung einer runden Zugfeder.The Tension spring according to the invention for an actuator in contrast, with the features of the main claim Advantage that a rectangular or square base area easy to manufacture of the actuator, since the crystalline material is easier in a rectangular than is to be brought into a round shape. The production a rectangular tension spring is also easier than manufacturing a round tension spring.

Zudem ist durch die rechteckige Form eine bessere Anlage des Aktors an der Zugfeder und resultierend eine bessere Wärmeabfuhr der beim Betrieb des Aktors auftretenden Verlustwärme möglich.moreover Due to the rectangular shape, the actuator is better positioned the tension spring and resulting better heat dissipation during operation loss heat of the actuator possible.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch gegebenen Zugfeder möglich.By those in the subclaims listed activities are advantageous developments and improvements in the main claim given tension spring possible.

Vorteilhafterweise ist die Zugfeder bügel- oder rohrförmig aus Flachmaterial durch Stanzen, Biegen und Schweißen herstellbar.advantageously, is the tension spring bracket or tubular Can be made from flat material by punching, bending and welding.

Weiterhin ist von Vorteil, daß eine Federkonstante der Zugfeder in einfacher Weise durch eine beliebige Anzahl und Anordnung von Ausnehmungen in den Seitenteilen der Zugfeder einstellbar ist.Farther is an advantage that a Spring constant of the tension spring in a simple manner by any Number and arrangement of recesses in the side parts of the tension spring is adjustable.

Zudem ist vorteilhaft, daß die Montage des Aktors in der Zugfeder in einfacher Weise durch Vormontage, Vorspannen und abschließendes Verschweißen der Grund- und/oder Deckplatte mit der Zugfeder erfolgen kann.moreover it is advantageous that the Assembly of the actuator in the tension spring in a simple way by pre-assembly, Preloading and final weld together the base and / or cover plate can be made with the tension spring.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:embodiments the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:

1A eine schematische perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Aktors zur Verwendung mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Zugfeder, 1A 2 shows a schematic perspective view of a piezoelectric actuator for use with a tension spring designed according to the invention,

1B eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zugfeder; 1B a schematic perspective view of a first embodiment of a tension spring designed according to the invention;

1C eine schematische perspektivische Ansicht des in 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zugfeder mit dem in 1A dargestellten Aktor, und 1C is a schematic perspective view of the in 1B illustrated first embodiment of a tension spring designed according to the invention with the in 1A shown actuator, and

2 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zugfeder. 2 is a schematic perspective view of a second embodiment of a tension spring designed according to the invention.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments

Die 1A bis 1C und 2 zeigen in einer perspektivischen Ansicht Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß ausgestaltete Zugfedern 1 für piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren 2. Gleiche Bauteile sind dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.The 1A to 1C and 2 show in a perspective view embodiments for tension springs designed according to the invention 1 for piezoelectric or magnetostrictive actuators 2 , The same components are provided with the same reference numerals in all figures.

Ein in 1A dargestellter Aktor 2 dient z. B. zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils, insbesondere zur direkten Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum einer gemischverdichtenden, selbst- oder fremdgezündeten Brennkraftmaschine.An in 1A shown actuator 2 serves z. B. for actuating a fuel injection valve, in particular for the direct injection of fuel into the combustion chamber of a mixture-compressing, self-ignited or spark-ignition internal combustion engine.

Der Aktor 2 besteht aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Element 3. Dieses kann sowohl monolithisch ausgeführt sein als auch bevorzugt, wie in 1A dargestellt, aus scheibenförmigen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schichten 4 bestehen. Die Schichten 4 können untereinander verklebt sein. Der Aktor 2 ist mit einer vorzugsweise metallischen Deckplatte 5 und einer ebensolchen Bodenplatte 6 versehen, die den Aktor 2 endseitig abschließen, mit den Schichten 4 z. B. verklebt sind und der Krafteinleitung auf die Schichten 4 dienen.The actuator 2 consists of a piezoelectric or magnetostrictive element 3 , This can be either monolithic or preferred, as in 1A shown, from disc-shaped piezoelectric or magnetostrictive layers 4 consist. The layers 4 can be glued together. The actuator 2 is with a preferably metallic cover plate 5 and a similar base plate 6 provided the actuator 2 Finish at the end with the layers 4 z. B. are glued and the application of force to the layers 4 serve.

In 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestaltet Zugfeder 1 für den in 1A gezeigten Aktor 2 dargestellt. Da sich piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren 2 bedingt durch die kristalline Struktur der Materialien am einfachsten und kostengünstigsten in quadratischer oder rechteckiger Form herstellen lassen, weist zweckmäßigerweise auch die Zugfeder 1 eine quadratische oder rechteckige Grundfläche 20 auf.In 1B is a first embodiment of a tension spring designed according to the invention 1 for the in 1A shown actuator 2 shown. Because there are piezoelectric or magnetostrictive actuators 2 Due to the crystalline structure of the materials, the easiest and cheapest way to produce them in a square or rectangular shape also expediently has the tension spring 1 a square or rectangular base 20 on.

Die erfindungsgemäße Zugfeder 1 ist bügel- oder U-förmig ausgestaltet. Die Zugfeder 1 weist dabei eine Grundplatte 7 und zwei daran ausgebildete Schenkel 8 auf, welche mit der Grundplatte 7 vorzugsweise einstückig ausgebildet sind und mit dieser jeweils einen rechten Winkel einschließen. In den Schenkeln 8 sind Ausnehmungen 9 ausgebildet, welche der Zugfeder 1 die gewünschte Elastizität verleihen. Große, liegende, langlochförmige Ausnehmungen 9 erlauben dabei eine stärkere Verformung der Zugfeder 1 als beispielsweise kleine, runde Ausnehmungen 9. Die Elastizität der Zugfeder 1 bzw. deren Federkennlinie kann durch die Form, Anzahl, Anordnung und Größe der Ausnehmungen 9 eingestellt werden. An Oberkanten 10 der Schenkel 8 ist jeweils ein vorkragender Rand 11 vorgesehen, welche der Einleitung der zur Montage benötigten Vorspannkraft dienen.The tension spring according to the invention 1 is designed in a bow or U shape. The mainspring 1 has a base plate 7 and two legs formed on it 8th on which with the base plate 7 are preferably formed in one piece and enclose a right angle therewith. In the thighs 8th are recesses 9 trained which of the tension spring 1 give the desired elasticity. Large, lying, slot-shaped recesses 9 allow a greater deformation of the tension spring 1 than, for example, small, round recesses 9 , The elasticity of the tension spring 1 or their spring characteristic can be determined by the shape, number, arrangement and size of the recesses 9 can be set. On top edges 10 the thigh 8th is a cantilevered edge 11 provided which serve to initiate the pretensioning force required for assembly.

1C zeigt die beiden in den 1A und 1B dargestellten Bauteile in fertig montiertem Zustand. Der Aktor 2 ist in die Zugfeder 1 eingesetzt, sodann durch axialen Druck so weit zusammengedrückt, bis die Deckplatte 5 des Aktors 2 mit den Oberkanten 10 der Zugfeder 1 fluchtet und schließlich entlang der Oberkanten 10 beispielsweise mittels zweier Schweißnähte 12 fixiert. Durch die verspannte Montage des Aktors 2 in der Zugfeder 1 kann sichergestellt werden, daß der Aktor 2 nicht exzentrisch belastet wird. Die Schichten 4 des Aktors 2 werden dadurch nur in axialer Richtung ohne radiale Komponente und somit scherkraftfrei belastet. Dies schützt den Aktor 2 sowohl bei der Montage als auch im Betrieb vor Beschädigungen. 1C shows the two in the 1A and 1B components shown in the fully assembled state. The actuator 2 is in the tension spring 1 inserted, then pressed together by axial pressure until the cover plate 5 of the actuator 2 with the top edges 10 the tension spring 1 aligns and finally along the top edges 10 for example by means of two welds 12 fixed. Due to the tensioned assembly of the actuator 2 in the tension spring 1 can be ensured that the actuator 2 is not eccentrically loaded. The layers 4 of the actuator 2 are therefore only loaded in the axial direction without radial component and thus free of shear force. This protects the actuator 2 both during assembly and in operation from damage.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Zugfeder 1. 2 shows a second embodiment of a tension spring designed according to the invention 1 ,

Die Zugfeder 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel rohrförmig mit ebenfalls rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet. Vier Seitenteile 13, welche jeweils unter rechten Winkeln aneinandergrenzen, bilden dabei einen Hohlkörper, welcher oben und unten offen ist. An einer offenen Kante 14 sind die dort aneinandergrenzenden Seitenteile 13 mittels zumindest zweier Schweißstellen 15 miteinander verbunden.The mainspring 1 is tubular in this embodiment with a rectangular or square cross section. Four side panels 13 , which adjoin each other at right angles, form a hollow body which is open at the top and bottom. On an open edge 14 are the adjacent side parts there 13 by means of at least two welds 15 connected with each other.

Die Zugfeder weist ebenfalls Ausnehmungen 9 auf, die rund oder langlochförmig und beliebig angeordnet sind. Die Federkonstante der Zugfeder 1 ist durch gezielte Wahl der Größe, Anzahl, Form und Anordnung der Ausnehmungen 9 einstellbar.The tension spring also has recesses 9 on, which are round or elongated and arbitrarily arranged. The spring constant of the tension spring 1 is through targeted selection of the size, number, shape and arrangement of the recesses 9 adjustable.

Die Montage des Aktors 2 erfolgt in diesem Fall durch Verschweißen der Grundplatte 6 des Aktors 2 mit einer Unterkante 16 der Zugfeder, Einlegen des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elements 3 mit der Deckplatte 5, Vorspannen des Aktors 2 unter Krafteinleitung über die Ausnehmungen 9 und Verschweißen der Deckplatte 5 mit einer Oberkante 17 der Zugfeder.Assembly of the actuator 2 in this case, the base plate is welded together 6 of the actuator 2 with a bottom edge 16 the tension spring, inserting the piezoelectric or magnetostrictive element 3 with the cover plate 5 , Preloading the actuator 2 by applying force over the recesses 9 and welding the cover plate 5 with an upper edge 17 the tension spring.

Die erfindungsgemäßen, im Querschnitt rechteckigen Zugfedern 1 haben dabei den Vorteil, daß sie an allen Seiten gut am Aktor 2 anliegen und dadurch ein effektiver Wärmeübergang zwischen Aktor 2 und Zugfeder 1 gewährleistet ist, so daß die beim Betrieb des Aktors 2 entstehende Verlustenergie gut abgeführt werden kann. Hierzu kann zwischen Aktor 2 und Zugfeder 1 auch eine nicht weiter dargestellte Aktorumspritzung vorgesehen sein.The tension springs according to the invention, rectangular in cross section 1 have the advantage that they are well attached to the actuator on all sides 2 and therefore effective heat transfer between the actuator 2 and tension spring 1 is guaranteed so that when operating the actuator 2 resulting energy loss can be dissipated well. This can be done between the actuator 2 and tension spring 1 actuator overmolding, not shown, may also be provided.

Die erfindungsgemäß ausgestalteten Zugfedern 1 sind in einfacher und kostengünstiger Weise aus Flachmaterial durch Stanzen und Biegen und, soweit benötigt, Schweißen herstellbar.The tension springs designed according to the invention 1 can be produced in a simple and inexpensive manner from flat material by punching and bending and, if necessary, welding.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und insbesondere bei einer Vielzahl von Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen anwendbar.The Invention is not limited to the illustrated embodiments and especially in a variety of fuel injector designs applicable.

Claims (19)

Zugfeder (1) für einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (2), insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, wobei der Aktor (2) zumindest ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Element (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) eine rechteckige Grundfläche (20) aufweist.Tension spring ( 1 ) for a piezoelectric or magnetostrictive actuator ( 2 ), in particular for actuating fuel injection valves for fuel injection systems of internal combustion engines, the actuator ( 2 ) at least one piezoelectric or magnetostrictive element ( 3 ), characterized in that the tension spring ( 1 ) a rectangular base ( 20 ) having. Zugfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) eine quadratische Grundfläche (20) aufweist.Tension spring according to claim 1, characterized in that the tension spring ( 1 ) a square base ( 20 ) having. Zugfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) bügelförmig ausgebildet ist.Tension spring according to claim 1 or 2, characterized in that the tension spring ( 1 ) is bow-shaped. Zugfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) eine rechteckige Grundplatte (7) und zwei daran ausgebildete Schenkel (8) aufweist.Tension spring according to claim 3, characterized in that the tension spring ( 1 ) a rectangular base plate ( 7 ) and two legs formed on it ( 8th ) having. Zugfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (8) einstückig mit der Grundplatte (7) ausgebildet sind.Tension spring according to claim 4, characterized in that the legs ( 8th ) in one piece with the base plate ( 7 ) are trained. Zugfeder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (8) mit der Grundplatte (7) jeweils einen rechten Winkel einschließen.Tension spring according to claim 4 or 5, characterized in that the legs ( 8th ) with the base plate ( 7 ) each include a right angle. Zugfeder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an Oberkanten (10) der Schenkel (8) jeweils ein nach außen vorkragender Rand (11) ausgebildet ist.Tension spring according to one of claims 3 to 6, characterized in that on the upper edges ( 10 ) the thigh ( 8th ) one outwardly projecting edge ( 11 ) is trained. Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckplatte (5) den Aktor (2) unter axialer Vorspannung des Aktors (2) an den Oberkanten (10) der Schenkel (8) der Zugfeder (1) fixiert.Tension spring according to one of claims 1 to 7, characterized in that a cover plate ( 5 ) the actuator ( 2 ) with axial pre-tensioning of the actuator ( 2 ) on the upper edges ( 10 ) the thigh ( 8th ) the tension spring ( 1 ) fixed. Zugfeder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung mittels zweier Schweißnähte (12) entlang der Oberkanten (10) erfolgt.Tension spring according to claim 8, characterized in that the fixing by means of two weld seams ( 12 ) along the top edges ( 10 ) he follows. Zugfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) rohrförmig ausgebildet ist.Tension spring according to claim 1 or 2, characterized in that the tension spring ( 1 ) is tubular. Zugfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) aus vier rechtwinklig aneinandergrenzenden Seitenteilen (13) besteht.Tension spring according to claim 10, characterized in that the tension spring ( 1 ) from four side parts adjoining each other at right angles ( 13 ) consists. Zugfeder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Seitenteile (13) einstückig ausgebildet sind.Tension spring according to claim 11, characterized in that the four side parts ( 13 ) are integrally formed. Zugfeder nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei an einer offenen Kante (14) aneinandergrenzenden Seitenteile (13) durch Schweißstellen (15) miteinander verbunden sind.Tension spring according to claim 11 or 12, characterized in that the two on an open edge ( 14 ) adjacent side parts ( 13 ) through welds ( 15 ) are connected. Zugfeder nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundplatte (6) mit einer Unterkante (16) der Zugfeder (1) verbunden ist und eine Deckplatte (5) unter axialer Vorspannung des Aktors (2) mit einer Oberkante (17) der Zugfeder (1) verbunden ist.Tension spring according to one of claims 10 to 13, characterized in that a base plate ( 6 ) with a lower edge ( 16 ) the tension spring ( 1 ) is connected and a cover plate ( 5 ) with axial pre-tensioning of the actuator ( 2 ) with an upper edge ( 17 ) the tension spring ( 1 ) connected is. Zugfeder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mittels Schweißen erfolgt.Tension spring according to claim 14, characterized in that the Connection is made by welding. Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) Ausnehmungen (9) aufweist.Tension spring according to one of claims 1 to 15, characterized in that the tension spring ( 1 ) Recesses ( 9 ) having. Zugfeder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl, Größe, Form und Anordnung der Ausnehmungen (9) eine Federkonstante der Zugfeder (1) bestimmt.Tension spring according to claim 16, characterized in that the number, size, shape and arrangement of the recesses ( 9 ) a spring constant of the tension spring ( 1 ) certainly. Zugfeder nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) rund oder langlochförmig sind.Tension spring according to claim 16 or 17, characterized in that the recesses ( 9 ) are round or elongated. Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) mittels Stanzen und Biegen hergestellt ist.Tension spring according to one of claims 1 to 18, characterized in that the tension spring ( 1 ) is made by punching and bending.
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