DE19714486C2

DE19714486C2 - Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors

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Publication number: DE19714486C2
Application number: DE19714486A
Authority: DE
Inventors: Johannes Fitzner; Raimondo Giavi; Karl Kirchweger; Guenter Lewentz; Juergen Rink; Gerd Schmutzler; Stefan Lehmann; Dirk Baranowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: DE19714486A1; GB9807612D0; FR2761736A1; GB2327729B; FR2761736B1; US6066912A; GB2327729A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Aktoren werden in der Kraftfahrzeugtechnik zur Ansteuerung eines Stellgliedes, insbesondere zur Ansteuerung eines Ein spritzventiles, verwendet. Dabei steuert der Aktor beispiels weise die Düsennadel direkt oder hydraulisch über ein Servo ventil an.

Aus GB 21 93 386 A ist ein piezoelektrischer Aktor bekannt, dessen Auslenkung über eine Druckkammer auf einen Stellkolben übertragen wird. Die Druckkammer dient zur Übertragung und zur Übersetzung der Auslenkung des piezoelektrischen Aktors. Die Druckkammer ist hermetisch dicht abgeschlossen und mit einem Übertragungsmedium gefüllt. Der piezoelektrische Aktor drückt mit einer großen Querschnittsfläche über eine Membran das Übertragungsmedium in eine Kolbenöffnung, die eine kleine Querschnittsfläche aufweist, in der der Stellkolben ver schiebbar gelagert ist. Auf diese Weise wird die geringe Aus lenkung des piezoelektrischen Aktors durch die unterschied lich großen Querschnittsflächen in eine größere Auslenkung des Stellkolbens übersetzt.

Aus US 3,154,700 ist ein piezoelektrischer Aktor bekannt, dessen Auslenkung über mehrere bewegliche mechanische Ele mente auf ein Zielelement übertragen wird. Die mechanischen Elemente sind zickzackförmig zwischen einer Piezostirnfläche und einer Auflagefläche angeordnet und dienen zur Übertragung und zur Übersetzung der Auslenkung des Aktors auf das Ziele lement. Der Aktor drückt mit seiner Stirnfläche auf die me chanischen Elemente, wobei sich die zickzackförmige Anordnung der Elemente so ändert, daß ein am einen Ende der zickzack förmigen Anordnung der Elemente angebrachtes Zielelement eine Bewegung ausführt, die im wesentlichen senkrecht zur Auslen kung des Aktors ist.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, eine Übertragung der Auslenkung eines Aktors mit rein mechanischen Mitteln bereit zustellen, bei der auf eine Membran und eine Hydraulikflüs sigkeit verzichtet werden kann und die eine direkte Übertra gung ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Er findung beruht darin, daß die Übertragung der Auslenkung des Aktors nur mit mechanischen Mitteln erfolgt und dadurch prä zise und zuverlässig funktioniert.

Weitere Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; Es zeigen:

Fig. 1: Einen Kugelübersetzer,

Fig. 2: Eine zweite Ausführungsform eines Kugelübersetzers mit einem Servoventil,

Fig. 3: Einen Teil eines Einspritzventiles mit einem piezo elektrischen Aktor,

Fig. 4: Einen Teil eines Einspritzventiles mit einem Kuge lübersetzer, bei dem die Bewegungsrichtung des Ak tors entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes angeordnet ist,

Fig. 5: Einen Kugelübersetzer mit einer geneigten Auflage fläche,

Fig. 6: Eine Übertragungsvorrichtung mit einem Stellkeil,

Fig. 7: Einen Kugelübersetzer mit einer abgestuften ersten Arbeitsfläche,

Fig. 8: Ein Diagramm mit verschiedenen Übersetzungsver hältnissen und

Fig. 9: Eine Vorrichtung zur Übertragung einer Auslenkung mit zwei geneigten Arbeitsflächen.

Die wesentliche Idee der Erfindung beruht darin, einen rein mechanisch aufgebauten Übersetzer bereitzustellen, der die Auslenkung des Aktors auf ein Stellglied überträgt. Als we sentliche Elemente werden zwei gegeneinander geneigte Ar beitsflächen verwendet, die über ein mechanisches Element miteinander in Wirkverbindung stehen. Die zwei Arbeitsflächen sind so gegeneinander geneigt, daß bei einer Bewegung der er sten Arbeitsfläche das mechanische Element gegen die zweite Arbeitsfläche gedrückt wird und damit die Bewegung der ersten Arbeitsfläche auf die zweite Arbeitsfläche übertragen wird.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil eines Einspritzventiles, bei dem eine Düsennadel über einen Aktor 11 und ein Stell glied 10 gesteuert wird. Die Auslenkung des Aktors 11, der in diesem Ausführungsbeispiel als piezoelektrischer Aktor ausge bildet ist, wird über ein erstes Übertragungsteil 1 übertra gen, das in einem Führungsring 4 in einer ersten Bewegungs richtung bewegbar angeordnet ist. Das erste Übertragungsteil 1 weist im wesentlichen die Form einer Zylinderscheibe auf, in die von der Unterseite her eine kegelstumpfförmige Ausneh mung eingebracht ist. Das erste Übertragungsteil 1 weist so mit auf der Unterseite eine Innenkegelfläche 6 auf, die sym metrisch zur Symmetrieachse 13 ausgerichtet ist. Die Innenke gelfläche 6 ist dabei in einem vorgegebenen ersten Winkel β zu einer Senkrechten zur Symmetrieachse 13 angeordnet und stellt eine erste Arbeitsfläche 6 dar. Fig. 1 zeigt das er ste Übertragungsteil 1, das im wesentlichen einen Axialkolben darstellt, im Querschnitt, wobei das erste Übertragungsteil 1 rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 13 ausgebildet ist.

Der Führungsring 4, der zentrisch zur Symmetrieachse 13 ange ordnet ist, sitzt auf einem zweiten Führungselement 3 auf. Das zweite Führungselement 3 weist im wesentlichen die Form einer Scheibe auf und ist symmetrisch zur Symmetrieachse 13 angeordnet. In der Mitte des Führungselementes 3 ist eine Führungsausnehmung 51 eingebracht, in der ein Stellkolben 2 beweglich in der ersten Bewegungsrichtung gelagert ist. Der Stellkolben 2 stellt ein zweites Übertragungsteil dar. Der Stellkolben 2 ist in Längsrichtung symmetrisch zum Axialkol ben 1 und zur Symmetrieachse 13 angeordnet und weist im obe ren Endbereich eine Kegelstumpfform auf, die als zweite Ar beitsfläche 7 eine ringförmig umlaufende Kegelfläche dar stellt. Die zweite Arbeitsfläche 7 ist in einem vorgegebenen zweiten Winkel α gegenüber der Symmetrieachse 13 ausgerich tet.

Im Innenbereich des Führungsrings 4 weist das zweite Führung selement 3 eine ringförmig umlaufende Auflagefläche 9 auf, die dem ersten Übertragungsteil 1 zugewandt ist und senkrecht zur Symmetrieachse 13 angeordnet ist. Zwischen der ersten Ar beitsfläche 6, der Auflagefläche 9 und der zweiten Auflage fläche 7 ist ein Lageraum 8 ausgebildet, in dem mehrere, über die Auflagefläche 9 gleichmäßig verteilte, Kugeln 5 angeord net sind. Die Kugeln sind beispielsweise Wälzlagerkugeln. In der Funktion stellt die Auflagefläche 9 eine Arbeitsfläche dar, die in einem optimalen Winkel anzuordnen ist.

Die erste Arbeitsfläche 6, die zweite Arbeitsfläche 7 und die Auflagefläche 9 begrenzen jede Kugel 5 in einer Ebene, so daß sich die Kugeln 5 nur noch frei um die Symmetrieachse 13 im Lageraum 8 bewegen können. Die Auflagefläche 9 und die erste Arbeitsfläche 6 schließen miteinander einen ersten Winkel β ein, der kleiner als 90° ist, so daß bei der Bewegung des er sten Übertragungsteils 1 in Richtung auf das zweite Führung selement 3 die Kugeln 5 nach innen in Richtung auf die Symme trieachse 13 gedrückt werden.

Da jede Kugel 5 in der Ruheposition an der zweiten Arbeits fläche 7 anliegt und die zweite Arbeitsfläche 7 mit der Auf lagefläche 9 einen dritten Winkel d größer als 90° ein schließt, wird bei einer Bewegung der Kugel 5 nach innen in Richtung zur Symmetrieachse 13 das zweite Übertragungsteil 2 weg vom ersten Übertragungsteil 1 nach unten in Richtung des Stellgliedes 10 gedrückt.

Die Funktionsweise der Fig. 1 ist wie folgt:

In der Ruheposition liegen an der Kugel 5 die erste Arbeits fläche 6, die zweite Arbeitsfläche 7 und die Auflagefläche 9 an. Wird nun der Piezoaktor 11 durch das Steuergerät 12 zu einer Auslenkung angeregt, so dehnt sich der Piezoaktor 11 aus und drückt dabei das erste Übertragungsteil 1 in Richtung auf das zweite Führungselement 3. Dabei wird die Längsbewe gung des ersten Übertragungsteils 1 durch die im ersten Win kel angeordnete Ausrichtung der ersten Arbeitsfläche 6 und senkrecht zur Symmetrieachse 13 angeordnete Auflagefläche 9 in eine seitlich nach innen in Richtung zur Symmetrieachse 13 gerichtete Bewegung der Kugel 5 umgesetzt, die gegen die zweite Arbeitsfläche 7 drückt und somit das zweite Übertra gungsteil 2 nach unten weg drückt, da die zweite Arbeitsflä che 7 konisch nach oben zusammenlaufend im ersten Winkel zur Symmetrieachse 13 ausgebildet ist.

Durch die Verwendung mehrerer Kugeln 5, die auf der ringför mig umlaufenden Auflagefläche 9 gleichmäßig verteilt sind, wird eine gleichmäßige und symmetrische Übertragung der Längsbewegung des ersten Übertragungsteils 1 auf das zweite Übertragungsteil 2 gewährleistet. Ein Verkannten oder Ver klemmen des ersten oder des zweiten Übertragungsteils 1, 2 wird durch die vorzugsweise Kugelform des mechanischen Ele mentes 5 vermieden. Die Kugeln 5 sind vorzugsweise aus Stahl oder anderen Materialien wie z. B. Keramik hergestellt.

Eine besonders reibungsarme Lagerung der Kugeln 5 wird da durch erreicht, daß der Lageraum 8, der zwischen der ersten Arbeitsfläche 6, der zweiten Arbeitsfläche 7 und der Auflage fläche 9 ausgebildet ist, mit Öl oder Gleitfett gefüllt ist. Wird Öl oder Gleitfett verwendet, so sind das zweite Übertra gungsteil 2 gegenüber dem zweiten Führungselement 3 und das erste Übertragungsteil 1 gegenüber dem Führungsring 4 über Abdichtringe abgedichtet, damit kein Öl oder Fett aus dem La geraum 8 austritt.

Damit kein unnötiges Spiel zwischen den Kugeln 5, der ersten Arbeitsfläche 6, der zweiten Arbeitsfläche 7 und der Auflage fläche 9 auftritt, sind das erste Übertragungsteil 1, die Ku geln 5 über das zweite Führungselement 3 über eine entspre chende Justierung oder Federelemente gegen den Piezoaktor 11 vorgespannt.

Eine Übersetzung der Auslenkung des Piezoaktors 11 wird da durch erreicht, daß der erste Winkel β und der zweite Winkel α in einem entsprechenden Verhältnis zueinander stehen. Das Übersetzungsverhältnis Ü ist dabei durch folgende Formel festgelegt:

Ü = HP/HN = 1/(tanα . tanβ),

wobei mit HP die Auslenkung des Aktors 11 und mit HN die Aus lenkung des Stellgliedes 10 bezeichnet sind. Nehmen bei spielsweise der erste Winkel β und der zweite Winkel α je weils einen Wert von 30° ein, so ergibt sich daraus ein Über setzungsverhältnis von 3, das bedeutet, daß bei einer Auslen kung des Piezoaktors 11 um 40 µm das Stellglied 10 um 120 µm ausgelenkt wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des mechanischen Übersetzers, bei dem das erste Übertragungsteil 1 eine ko nisch zusammenlaufende Spitze aufweist, die in Richtung des zweiten Übertragungsteils 2 zeigt. Das erste Übertragungsteil 1 ist als Zylinder mit einer Kegelspitze 17 ausgebildet, die die erste Arbeitsfläche 6 darstellt. Der Kegelspitze 17 zuge ordnet ist ein Lageblock 15 vorgesehen, der über Verbindungs stege fest mit dem Führungsring 4 und dem Gehäuse 14 des Ein spritzventiles verbunden ist, ohne die Bewegung des zweiten Übertragungsteiles 2 weg vom Aktor 1 zu behindern. Der Lage block 15 weist eine kreisförmige Lagefläche 18 auf. Die Lage fläche 18 ist symmetrisch zur Kegelspitze 17 und der Kegel spitze 17 zugewandt. Die Lagefläche 18 ist seitlich durch ei ne ringförmig umlaufende zweite Arbeitsfläche 7 eines zweiten Übertragungsteils 2 begrenzt. Die Lagefläche 18, die erste Arbeitsfläche 6 und die zweite Arbeitsfläche 7 legen einen kreisförmigen Lageraum fest, in dem Kugeln 5 eingebracht sind, die in einer Ebene in der Bewegung festgelegt sind.

Das zweite Übertragungsteil 2 ist in diesem Ausführungsbei spiel als einseitig geschlossener Hohlzylinder 19 ausgebil det, der in eine Grundplatte 20 übergeht und die sich in ei nem Stellglied 10 fortsetzt, das mittig zur Grundplatte 20 und in Längsrichtung parallel zum Hohlzylinder 19 angeordnet ist. Das Stellglied 10 ragt dabei durch eine Öffnung 21, die zu einem Schließglied eines Servoventils geführt ist. Die er ste Arbeitsfläche 6 ist in einem ersten Winkel β zur Lage fläche 18 und die zweite Arbeitsfläche 7 ist in einem zweiten Winkel α zur Lagefläche 18 angeordnet.

Die Funktionsweise der Fig. 2 ist wie folgt:

Wird der piezoelektrische Aktor 1 über das Steuergerät 12 an gesteuert, so dehnt sich der piezoelektrische Aktor 11 aus und drückt das erste Übertragungsteil 1 in Richtung auf das zweite Übertragungsteil 2. Als Folge davon werden die Kugeln 5 seitlich nach außen weggedrückt, da der Lageblock 15 in seiner Position fixiert ist. Die Kugeln 5 bewegen sich von der Symmetrieachse 13 weg nach außen und drücken dabei über die zweite Arbeitsfläche 7 das zweite Übertragungsteil 2 nach unten, so daß das Stellglied 10 gegen das Ventilschließglied des Servoventils drückt und das Servoventil öffnet.

Eine Übersetzung der Auslenkung des Aktors 11 wird entspre chend Fig. 1 durch eine entsprechende Wahl des ersten und des zweiten Winkels festgelegt. Der Abstand zwischen dem Ser voventil und dem Aktor 11 wird über Distanzscheiben 16 einge stellt, die zwischen dem Servoventilgehäuse 23 und dem Gehäu se 14 eingebracht sind. Der wesentliche Unterschied im Ver gleich zu Fig. 1 besteht darin, daß die Kugeln 5 von Innen nach Außen gedrückt werden.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Teil eines Einspritzventiles mit einem piezoelektrischen Aktor 11, der über die erfin dungsgemäße Übertragungsvorrichtung ein Schließglied eines Servoventiles ansteuert. Das Schließglied reguliert den Öff nungsquerschnitt, über den ein Druckraum mit einer Entla stungsleitung verbunden ist, die zum Kraftstofftank geführt ist.

Das erste Übertragungsteil 1 ist auf der Außenseite als abge stufter Zylinder ausgebildet, der auf der Unterseite eine ke gelförmige Ausnehmung aufweist. Durch die kegelförmige Aus nehmung wird die erste Arbeitsfläche 6 gebildet. Die erste Arbeitsfläche 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kegel fläche, die symmetrisch zur Symmetrieachse 13 angeordnet ist. Das erste Übertragungsteil 1 ist in einem Hohlzylinder 28 eingebracht und und in der Längsrichtung des Hohlzylinders 28 beweglich angeordnet, wobei das erste Übertragungsteil 1 vor zugsweise seitlich vom Hohlzylinder geführt ist.

Die erste Arbeitsfläche 6 ist der Bodenplatte 31 des Hohlzy linders 28 zugeordnet. Mittig zur Symmetrieachse 13 ist in der Bodenplatte 31 eine Durchführung 52 vorgesehen, durch die ein Steuerkolben 29 in den Hohlzylinder 28 ragt. Das obere Ende des Steuerkolbens 29 ist als zweites Übertragungsteil 2 ausgebildet. Das zweite Übertragungsteil 2 ist in diesem Fall als konisch zusammenlaufende Kegelspitze ausgebildet, die mittig zur Symmetrieachse 13 angeordnet ist. Zwischen der er sten Arbeitsfläche 6, der Bodenplatte 31 und dem zweiten Übertragungsteil 2 ist ein umlaufender Übertragungsraum 30 ausgebildet, in dem als mechanische Elemente 5 Kugeln einge bracht sind.

Im Gehäuse 34 des Einspritzventiles ist angrenzend an die Öffnung der Bodenplatte 31 eine Führungsbohrung 32 ausgebil det, in der der Steuerkolben 29 geführt ist. Die Führungsboh rung 32 erstreckt sich mittig im Einspritzventil bis zu einer Ventilkammer.

Die Führungsbohrung 32 ist im oberen Bereich angrenzend an die Bodenplatte 31 mit einem großen Querschnitt ausgebildet und geht im unteren Bereich in einen zweiten, kleinen Quer schnitt über, der an die Ventilkammer angrenzt. Im oberen Be reich ist eine Feder 53 vorgesehen, die den Steuerkolben 29 und das zweite Übertragungsteil 2 in Richtung auf das erste Übertragungsteil 1 vorspannen.

Die Abmessungen des ersten Übertragungsteils 1, des zweiten Übertragungsteils 2, der mechanischen Elemente 5 und des Hohlzylinders 19 mit der Bodenplatte 31 sind derart gewählt, daß im Ruhezustand das erste Übertragungsteil 1, das zweite Übertragungsteil 2 und die Bodenplatte 31, die in diesem Fall eine Auflagefläche darstellt, an einem mechanischen Element 5 anliegen. Vorzugsweise sind im Übertragungsraum 30 mehrere Kugeln 5 gleichmäßig um das zweite Übertragungsteil 2 ver teilt angeordnet.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Fig. 3 erläutert:

In der Ruheposition ist der piezoelektrische Aktor 11 nicht angesteuert und das erste Übertragungsteil 1 und das zweite Übertragungsteil 2 befinden sich in einer Ruheposition. Wird nun der piezoelektrische Aktor 11 angesteuert, so drückt der piezoelektrische Aktor 11 das erste Übertragungsteil 1 in Richtung auf die Bodenplatte 31. Dadurch werden durch die ko nisch nach oben in Richtung zur Symmetrieachse 13 zusammen laufende erste Arbeitsfläche 6, die Kugeln 5 nach innen in Richtung zur Symmetrieachse 13 gedrückt. Als Folge davon wird das zweite Übertragungsteil 2 durch die konisch nach oben zu sammenlaufende zweite Arbeitsfläche 7 nach unten gegen die Federkraft der Spannfeder 53 gedrückt. Als Folge davon drückt das untere Ende des Steuerkolbens 29 beispielsweise ein Schließglied vom zugeordneten Dichtsitz weg, so daß ein Ser voventil geöffnet wird oder direkt ein Einspritzöffnung ge öffnet wird und eine Einspritzung erfolgt.

Wird die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 11 wieder abgebrochen, so wird der piezoelektrische Aktor 11 von Tel lerfedern 43 in die Ruheposition weg vom ersten Übertragungs teil 1 gedrückt. Die Tellerfedern 43 sind zwischen dem Aktor und dem Aktorgehäuse eingebracht und spannen den Aktor gegen eine Auslenkung vor.

Somit läßt der Druck des ersten Übertragungsteils 1 auf die Kugeln 5 und den Steuerkolben 29 nach. Als Folge davon drückt die Spannfeder 53 den Steuerkolben 29 und das zweite Übertra gungsteil 2 nach oben in Richtung auf das erste Übertragungs teil 1. Die mechanischen Elemente 5 werden nach außen ge drückt und das erste Übertragungsteil 1 nach oben in Richtung auf den piezoelektrischen Aktor 11 bewegt. Folglich wird der Steuerkolben 29 wieder nach oben in seine Ruheposition be wegt.

Die wesentliche Funktion der Übertragungsvorrichtung besteht in diesem Ausführungsbeispiel darin, daß durch eine entspre chende Wahl der Winkel und der Geometrie, in denen die erste Arbeitsfläche 6, die Bodenplatte 31 und die zweite Arbeits fläche 7 zueinander angeordnet sind, die Bewegung des piezo elektrischen Aktors 11 auf den Steuerkolben 29 übertragen wird. Durch eine entsprechende Wahl der Winkel, in denen die erste und die zweite Arbeitsfläche 6, 7 zueinander geneigt sind, wird entsprechend Fig. 1 eine Übersetzung der Auslen kung des Aktors 11 auf eine entsprechend größere oder kleine re Auslenkung des Steuerkolbens 29 erreicht.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Teil eines Einspritzventiles, bei dem die Bewegungsrichtung des piezoelektrischen Aktors entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Steuerkolbens 29 oder einer Düsennadel 45 ausgeführt ist. In diesem Ausfüh rungsbeispiel ist der Steuerkolben 29 mit der Düsennadel 45 einstückig aufgebaut. Damit wirkt der piezoelektrische Aktor 11 mechanisch direkt auf die Bewegung der Düsennadel 45 ein.

Das Gehäuse 34 des Einspritzventiles weist eine Steuerbohrung 47 auf, in der der Steuerkolben 29 und die Düsennadel 45 in Längsrichtung zur Symmetrieachse 13 des Einspritzventiles be wegbar gelagert sind. Im oberen Bereich der Steuerbohrung 47 ist eine Steuerfeder 49 vorgesehen, die den Steuerkolben 28 in Richtung auf den Dichtsitz 54 der Düsennadel 45 drückt. Am oberen Ende des Steuerkolbens 29 ist ein Anschlagring 48 am Steuerkolben 29 vorgesehen, an dem ein zweites Übertragungs teil 2 befestigt ist. Das zweite Übertragungsteil 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel die Form eines Hohlzylinders auf, wobei die obere Endfläche des Hohlzylinders am Anschlag 48 befestigt ist.

Das zweite Übertragungsteil 2 ist nach unten und in Richtung zur Symmetrieachse 13 abgeschrägt ausgebildet. Die abge schrägte zweite Endfläche stellt eine zweite Arbeitsfläche 7 dar, die in einem vorgegebenen Winkel zur Symmetrieachse 13 ausgebildet ist. Der Winkel ist nach unten zusammenlaufend und liegt zwischen 0 und 90°. Somit stellt die zweite Ar beitsfläche 7 eine ringförmig umlaufende Kegelstumpffläche dar.

Das zweite Übertragungsteil 2 ist von einem ersten Übertra gungsteil 1 umgeben, das in diesem Fall ebenfalls als Hohlzy linder ausgebildet ist und im wesentlichen in gleicher Höhe wie das zweite Übertragungsteil 2 angeordnet ist. Das erste Übertragungsteil 1 liegt mit seiner Oberseite am piezoelek trischen Aktor 11 an. Der piezoelektrische Aktor 11 ist eben falls im wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet und liegt vorteilhafterweise auf der gesamten Oberseite des ersten Übertragungsteils 1 auf. Die Unterseite des ersten Übertra gungsteils 1 ist nach oben und in Richtung zur Symmetrieachse 13 abgeschrägt und stellt eine erste Arbeitsfläche 6 dar. Die erste Arbeitsfläche 6 ist in einem vorgegebenen Winkel zur Symmetrieachse 13 angeordnet, der zwischen 90° und 0° liegt, und nach oben zusammenläuft. Die erste Arbeitsfläche 6 ist somit als ringförmig umlaufende Kegelstumpffläche ausgebil det, die nach innen oben geneigt ist.

Auf diese Weise schließen die erste und die zweite Arbeits fläche 6, 7 miteinander einen Winkel ein, der kleiner als 180° ist und somit eine ringförmig umlaufende Aufnahmeausneh mung für mechanische Elemente 5 darstellt, die vorzugsweise als Kugeln 5 ausgebildet sind. Die Kugeln 5 werden von der ersten und der zweiten Arbeitsfläche 6, 7 und von einer Auf lagefläche 9 fixiert, die vom Gehäuse 34 ringförmig umlaufend und senkrecht zur Symmetrieachse 13 ausgebildet ist. Die Auf lagefläche 9 ist zur ersten und zur zweiten Arbeitsfläche 6, 7 jeweils in einem Winkel kleiner als 90° angeordnet.

In der Ruheposition ist der Steuerkolben 29 und die Düsenna del 45 nach unten gedrückt, so daß die Düsennadel 45 auf dem zugeordneten Dichtsitz 54 aufliegt und keine Verbindung zwi schen der Hochdruckleitung 36 und den Einspritzdüsen 46 vor liegt. Wird nun der piezoelektrische Aktor 11 angesteuert, so drückt der piezoelektrische Aktor 11 das erste Übertragungs teil 1 nach unten und damit die Kugeln 5 nach innen in Rich tung auf den Steuerkolben 29. Als Folge davon wird das zweite Übertragungsteil 2 nach oben gegen die Federkraft der Steuer feder 49 gedrückt und die Düsennadel 45 wird vom Dichtsitz 54 abgehoben. Somit fließt Kraftstoff von der Hochdruckleitung 36 zur Einspritzdüse 46 und wird eingespritzt.

Wird die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 11 unter brochen, so zieht sich der piezoelektrische Aktor 11 zusammen und entlastet damit das erste Übertragungsteil 1. Als Folge davon wird das zweite Übertragungsteil 2 von der Steuerfeder 49 über den Anschlag 48 nach unten in Richtung auf die Aufla gefläche 9 gedrückt. Folglich werden die Kugeln 5 nach außen weggedrückt und das erste Übertragungsteil 1 nach oben in Richtung auf den piezoelektrischen Aktor 11 bewegt. Zugleich wird die Düsennadel 45 auf den zugeordneten Dichtsitz 54 ge preßt, so daß die Einspritzung stoppt. Die Federkraft der Steuerfeder 49 ist somit größer als die hydraulische Kraft, die auf die Düsennadel 45 einwirkt.

Der Übertragungsraum 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet und wird zum einen von einer Auflage fläche 9, die senkrecht zur Ausrichtung des Steuerkolbens 29 angeordnet ist, und zum anderen von den zwei konisch nach oben zusammenlaufenden ersten und zweiten Arbeitsflächen 6, 7 gebildet.

Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Kugeln 5 über den ringför migen Übertragungsraum 30 gleichmäßig verteilt angeordnet.

Fig. 4b zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt den ersten Winkel β mit dem die erste Arbeitsfläche 6 und den zweiten Winkel α, mit dem die zweite Arbeitsfläche 7 angeordnet ist. Eine Übersetzung zwischen der ersten Auslenkung HP des piezo elektrischen Aktors 1 und der zweiten Auslenkung HN der Dü sennadel 45 wird durch folgende Formel festgelegt:

HP/HN = 1/(tanα . tanβ)

β = arctan(HP/(HN . tanα))

Durch die Wahl des ersten und des zweiten Winkels wird eine entsprechende Übersetzung der Auslenkung des Aktors 11 fest gelegt.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfin dung, die darin besteht, daß die Kugel 5 von einem ersten Übertragungsteil 1 mit einer ersten Arbeitsfläche 6 und einer zweiten Auflagefläche 9 begrenzt wird. Die zweite Auflageflä che 9 stellt eine dritte Arbeitsfläche dar, die nicht wie in den bisherigen Beispielen der Fig. 1 bis 4 senkrecht zur Symmetrieachse 13 angeordnet ist, sondern einen vorgegebenen vierten Winkel g gegenüber der Symmetrieachse 13 aufweist.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Auflagefläche 9 symmetrisch zur ersten Arbeitsfläche 6 angeordnet, die zur Symmetrieachse 13 im Winkel f angeordnet ist, der dem vierten Winkel g entspricht. Auf diese Weise wird eine besonders rei bungsarme Bewegung des mechanischen Elementes 5 ermöglicht.

Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, bei der das erste Übertragungsteil 1 und die Auflagefläche 9 entsprechend Fig. 5 ausgebildet sind, wobei jedoch anstelle einer Kugel 5 als Übertragungselement ein in Richtung des Übertragungstei les 1 konisch zusammenlaufender Keil 50 zwischen dem Übertra gungsteil 1 und der Übertragungsfläche 9 eingesetzt ist. Auf diese Weise wird die lineare Bewegung des piezoelektrischen Aktors 11 in x-Richtung in eine um 90° umgelenkte lineare Be wegung des Keils 50 umgesetzt. Bei einer Auslenkung des pie zoelektrischen Aktors 11 wird das erste Übertragungsteil 1 in x-Richtung nach unten gedrückt und damit der Keil 50 in y- Richtung weg vom ersten Übertragungsteil 1 bewegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist anstelle einer Kugel 5 ein Keil 50 als mechanisches Element zur Übertragung der Bewegung des piezoelektrischen Aktors 11 angeordnet. Der Keil 50 weist ei ne Steuerfläche 60 auf, die auf einer entsprechenden Gleit fläche 61 des Steuerkolbens 29 gleitet. Wird nun der Piezoak tor 11 um die Strecke HP ausgedehnt, so wird der Keil 50 in die y-Richtung in Richtung auf den Steuerkolben 29 gedrückt. Als Folge davon verschiebt sich die Steuerfläche 60 gegen die Gleitfläche 61 und der Steuerkolben 29 wird entgegen der Aus lenkung des Piezoaktors 11 nach oben um die Strecke HN ver schoben. Durch eine entsprechende Anordnung der Steuerfläche 60 und der Gleitfläche 61 wird der Steuerkolben 29 in die gleiche Richtung wie der Piezoaktor 11 verschoben. Vorzugs weise sind die Gleitfläche 61 und die Steuerfläche 60 paral lel zueinander angeordnet. Die Gleitfläche 61 stellt eine zweite Arbeitsfläche 7 dar. Das Übersetzungsverhältnis zwi schen der Auslenkung HP des Aktors 11 und der Auslenkung HN des Steuerkolbens 29 wird durch die Wahl der Winkel festge legt, mit denen die erste Arbeitsfläche 6, die Auflagefläche 9 und die Gleitfläche 61 zueinander angeordnet sind.

Fig. 7 zeigt ein erstes Übertragungsteil 1, das eine erste Arbeitsfläche 6 aufweist, die in unterschiedlichen ersten Winkeln β1, β2 ausgerichtet ist.

Durch die unterschiedlichen ersten Winkel β1, β2 wird über die Auslenkung HP des piezoelektrischen Aktors 11 eine unter schiedliche Übersetzung für die Auslenkung HN des Stellglie des 10 erreicht. Fig. 7b zeigt eine Abhängigkeit zwischen der Auslenkung HP des Aktors 11 und der Auslenkung HN des Stellgliedes 29. Auf diese Weise ist es möglich, die Überset zung über die Auslenkung des Aktors 11 zu verändern. Ebenso ist es möglich die, die Übersetzung so anzupassen, daß eine vorteilhafte Kraftübersetzung vorliegt.

Vorzugsweise ist es bei einem druckbelasteten Einspritzventil von Vorteil, den Öffnungsvorgang, bei dem ein hoher Kraftauf wand notwendig ist, mit einer geringen Wegübersetzung durch zuführen und nach dem Öffnen des Einspritzventils den weite ren Öffnungsvorgang mit einer größeren Wegübersetzung durch zuführen.

Anstelle der abgestuften ersten Winkel β1, β2 ist es eine Weiterbildung der Erfindung, die erste Auflagefläche 6 in der Form einer beliebigen Kurve auszubilden, so daß unterschied lichste Wegübersetzungen abhängig von der Auslenkung des Ak tors 11 darstellbar sind.

Ebenso ist es vorteilhaft, auch das zweite Übertragungsteil 2 mit über die zweite Arbeitsfläche 7 unterschiedlichen zweiten Winkeln α1, α2 abgestuft auszubilden oder die zweite Ar beitsfläche 7 in einer beliebigen, vorteilhaften Kurve auszu bilden, wie in Fig. 7d dargestellt ist. Die wesentliche Idee beruht darin, durch eine entsprechende geometrische Aus bildung der ersten und/oder der zweiten Arbeitsfläche 6, 7 das Übersetzungsverhältnis abhängig von der Auslenkung des Aktors 11 zu verändern.

Fig. 7e zeigt beispielsweise die Auslenkung HN des Stell gliedes 10 in Abhängigkeit von der Auslenkung HP des Aktors 11, bei der sich das Übersetzungsverhältnis über die Auslen kung HP ändert.

Fig. 7c zeigt ein erstes Übertragungsteil 1, bei dem über die erste Arbeitsfläche 6 drei unterschiedlich große Krüm mungsradien R1, R2, R3 über die Kurve verwendet werden, ent lang die Kugel 5 beim Auslenken des Aktors 11 rollt. Zugleich ist das zweite Übertragungsteil 2 als mit unterschiedlich großen zweiten Winkeln α1, α2 abgestufte zweite Arbeitsflä che 7 ausgebildet.

Fig. 7d zeigt ein zweites Übertragungsteil 2, das über die zweite Arbeitsfläche 7 unterschiedliche Krümmungsradien auf weist. Der Fachmann wird entsprechend der Anwendung eine vor teilhafte Kombination von verschiedenen Winkeln oder ver schiedenen Krümmungsradien für die erste und die zweite Ar beitsfläche 6, 7 wählen.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem der erste Winkel β, der senkrecht zur Symmetrieachse 13 gemessen wird, gegenüber dem zweiten Winkel α, der in bezug auf die Symmetrieachse 13 ge messen wird, aufgetragen ist und für die unterschiedlichen Winkelkombinationen das daraus resultierende Übersetzungsver hältnis Ü angegeben ist. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich bei der Verwendung einer Kugel als mechanisches Ele ment 5.

Beispielsweise ergibt ein erster Winkel β von 30° und ein zweiter Winkel α von 30° ein Übersetzungsverhältnis von 3, d. h. 10 µm Auslenkung des Aktors 11 werden in 30 µm Auslenkung des Stellkolbens 10 übertragen.

Fig. 9 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Anordnung, bei der das erste Übertragungsteil 1 direkt mit der ersten Arbeits fläche 6 an der zweiten Arbeitsfläche 7 des zweiten Übertra gungsteiles 2 anliegt. Bei dieser Anordnung wird bei einer Auslenkung des piezoelektri schen Aktors 11 das zweite Übertragungsteil 2 und der damit verbundene Stellkolben 10 nach unten bewegt. Es wird je nach Wahl des Winkels c, mit dem die erste und die zweite Arbeits fläche 6, 7 geneigt sind, eine entsprechende Wegübersetzung der Auslenkung HP des Aktors 11 in eine entsprechende Auslen kung HN des Stellkolbens 10 umgesetzt.

Claims

1. Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Ak tors (11) auf ein Stellglied (10, 29) mit einem ersten Über tragungsteil (1), das in Wirkverbindung mit dem Aktor (11) steht, mit einem zweiten Übertragungsteil (2), das in Wirk verbindung mit dem Stellglied (10, 29) steht, wobei das er ste Übertragungsteil (1) eine erste Arbeitsfläche (6) und das zweite Übertragungsteil (2) eine zweite Arbeitsflä che (7) aufweist, die über mindestens ein bewegliches me chanisches Element (5, 50) in Wirkverbindung miteinander stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Arbeitsfläche (6) als Innenkegelfläche oder als Außenkegelfläche ausgebildet ist, daß die zweite Ar beitsfläche (7) als Außenkegelfläche bzw. als Innenkegel fläche ausgebildet ist, daß die Außenkegelfläche von der Innenkegelfläche umgeben ist, wobei die Außenkegelfläche der Innenkegelfläche zugeneigt angeordnet ist, und daß die Auflagefläche (9; 18) in einem vorgebbaren Winkel, vorzugsweise senkrecht, zu einer Symmetrieachse (13) ange ordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (9) in Form einer Innenkegelfläche ausge bildet ist, die symmetrisch zur Symmetrieachse (13) angeord net ist und die der ersten Arbeitsfläche (6) zugewandt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die erste Arbeitsfläche (6) oder die zweite Arbeits fläche (7) entlang der Bewegungslinie, entlang der sich das mechanische Element (5) beim Auslenken des Aktors (11) be wegt, mindestens zwei Teilflächen aufweist, die in verschie denen Winkeln zur Symmetrieachse (13) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die erste oder die zweite Arbeitsfläche (6, 7) ent lang der Bewegungslinie, entlang der sich das mechanische Element (5) bei der Auslenkung des Aktors (11) bewegt, eine definierte Kurvenfläche darstellt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet,
daß das erste und das zweite Übertragungsteil (1, 2) im we sentlichen nebeneinander angeordnet sind,
daß die erste und die zweite Arbeitsfläche in einem Winkel kleiner als 180° zusammenlaufend angeordnet sind,
daß die Auflagefläche (9) in einem Winkel kleiner als 90° zur ersten und zur zweiten Arbeitsfläche (6, 7) angeordnet ist und einen Lageraum bildet, in dem das mechanische Element (5) an geordnet ist, daß bei einer Bewegung des ersten Übertragungs teils (1) das mechanische Element (5) in Richtung auf das zweite Übertragungsteil (2) seitlich verschoben wird und das zweite Übertragungsteil (2) entgegen der Bewegungsrichtung des ersten Übertragungsteils bewegt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Aktor (11), das erste und das zweite Übertragungsteil (1, 2) und das mechanische Element (5, 50) ge geneinander vorgespannt sind.