DE19807903C2

DE19807903C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Kraftübertragung

Info

Publication number: DE19807903C2
Application number: DE19807903A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kappel; Randolf Mock; Hans Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: FR2777609B1; DE19807903A1; FR2777609A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kraftübertragung sowie eine Verwendung der Vorrichtung der Vorrichtung zur Ventilsteuerung oder Kraftstoffeinspritzung.

Viele Steuer- oder Schaltelemente werden angesteuert, indem auf sie eine mechanische Kraft ausgeübt wird. Dabei ist es häufig so, daß am Anfang des Schaltvorgangs eine hohe mecha nische Kraft aufgewendet werden muß, während zur weiteren Öffnung eine sehr viel geringere Kraft aufgewendet werden muß.

Beispielsweise in EP 0 816 670 A1 ist ein Schalt- oder Steu erelement angegeben, bei dem über mittels eines Innendrucks einer fluidbefüllten Hydraulikkammer ein Kolben gesteuert wird. Im Ausgangszustand ist der Innendruck maximal und der Kolben maximal ausgelenkt. Die Hydraulikkammer ist mit einem drucklosen Abfluß verbunden, wobei die Verbindung zwischen Hydraulikkammer und Abfluß im Ruhezustand durch ein Dichtele ment (beispielsweise ein Tellerventil) verschlossen ist, wel ches beispielsweise durch eine Feder gegen seinen Sitz ge drückt wird.

Zum Öffnen des Schalt- oder Steuerelementes wird das Dicht element in die Hydraulikkammer gedrückt. Dazu müssen zwei Ar ten von Gegenkräften überwunden werden. Dies sind die durch die Feder und die durch das Fluid ausgeübte Kraft auf das Dichtelement. Gerade bei Hochdrucksystemen, beispielsweise "Common-Rail"-Systemen für Motoreinspritzungen, ist die hyd raulische Druckkraft auf das Ventil um ein Vielfaches höher als die Federkraft.

Beim Öffnungsvorgang muß also zunächst eine hohe Kraft aufge wendet werden. Unmittelbar nach Öffnung der Ventilkammer fließt das Fluid in den Ablauf und der am Dichtelement anste hende Druck nach dem Aufstoßen des Ventils sinkt sehr schnell auf niedrige Werte, wodurch die auf das Dichtelement wirken den hydraulischen Kräfte ebenfalls sehr schnell abnehmen. In dieser Phase sollte die Durchlaßfläche am Dichtelement so weit vergrößert werden, daß der Einfluß von Hubtoleranzen des Dichtelementes auf die Durchflußcharakteristik des Ventils gering ist. Beispielsweise kann das Dichtelement gegen einen unteren Anschlag bewegt werden, wodurch die Durchflußcharak teristik exakt definiert und unabhängig vom Stellantrieb des Dichtelementes ist.

Ein, beispielsweise von einem Piezoelement oder einem magne to- oder elektrostriktiven Element, direkt angetriebenes Dichtelement bietet in der ersten Betriebsphase, in der hohe Kräfte aufgebracht werden müssen, Vorteile, da die vom Piezo aktor erzeugte Kraft direkt und verzögerungsfrei am Dichtele ment ansteht. Ein in dieser Weise angetriebenes Dichtelement ist somit auch noch bei sehr hohen Drücken funktionsfähig. Allerdings sind durch den geringen Ventilhub der Piezoaktoren erhebliche Streuungen in der Durchflußcharakteristik zwischen einzelnen Steuerelementen zu verzeichnen, die die Überführung in ein Serienprodukt, z. B. bei Nutzung in Kraftstoffinjekto ren, erheblich erschweren. Auch Alterungseffekte (z. B. durch Setzen des Piezoaktors) schlagen direkt auf die Durchflußcha rakteristik am Dichtelement durch. Obwohl diese Problematik durch entsprechenden Vorhalt, insbesondere der Länge des Pie zoaktors, zumindest teilweise entschärft werden kann, ist ein solches Vorgehen nur mit sehr hohem Aufwand möglich.

Andere Antriebe, wie z. B. elektromagnetische oder rein hyd raulische Antriebe, besitzen war einen großen Hub, sind aber bei vielen Anwendungen nicht in der Lage, bei Beginn der Hub phase die geforderten sehr hohen Kräfte aufzubringen, bei spielsweise wegen der Forderung nach geringen Bauteildimensi onen.

In DE 195 20 152 A1 wird ein hydraulischer Kraftverstärker für endliche Schubbewegungen beschrieben, dessen Aufgabe eine Kraftverstärkung einer Vorschubbewegung mit einfachen Mittels bei schnellen Krafttrieben ist. Dazu wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein erster Kolben und ein zweiter Kolben mit einem oder mehreren Federelementen untereinander oder am Gehäuse abgestützt sind, und die Kolben mit Membranen so mit dem Gehäuse verbunden sind, dass Fluid im Gehäuse vollständig abgeschlossen ist.

In DE 43 06 072 C2 wird eine Vorrichtung zum Öffnen und Ver schließen einer in einem Gehäuse vorhandenen Durchtrittsöff nung beschrieben, bei der eine Verwendung von Membranen zur Fluidabdichtung beschrieben wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur hub verlustfreien Übertragung hoher Kräfte und einer daran an schließenden Hubübersetzung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 22 bzw. 24 gelöst.

Die Erfindung beruht darauf, daß zwischen einem primärseiti gen Stellantrieb, der große Kräfte ausüben kann, und einem sekundärseitigen Kolben ("Sekundärkolben") ein Kraftübertra ger mit integrierter Möglichkeit zur Hubübersetzung in Form einer fluidgefüllten Arbeitskammer wirkt. Dabei entspricht "primärseitig" dem direkt steuerbaren Teil der Kraftübertra gung und "sekundärseitig" dem durch die Kraftübertragung ge steuerten Teil.

Der Sekundärkolben ist in einer Bohrung eines Gehäuses axial verschiebbar angebracht und wird durch eine Rückstellvorrich tung, beispielsweise eine Druckfeder, in Richtung der Ar beitskammer gedrückt. In Ruhestellung ist eine direkte mecha nische Kraftübertragung vom Stellantrieb auf den Sekundärkol ben vorhanden. Der mechanische Kraftschluß zwischen primär seitigem Stellantrieb und sekundärseitigem Kolben kann bei spielsweise dadurch realisiert sein, daß der sekundärseitige Kolben in die Arbeitskammer hereinreicht und beispielsweise nur durch eine Wand der Arbeitskammer vom Stellantrieb ge trennt ist.

Zu Beginn der Hubphase wird der Stellantrieb ausgelenkt und drückt dadurch, beispielsweise von außen, auf die Arbeitskam mer, so daß deren Volumen verkleinert wird. Durch den direk ten mechanischen Kraftschluß zwischen primärseitigem Stellan trieb und sekundärseitigem Kolben wird die Bewegung des Stel lantriebs so auf den Kolben übertragen, daß dieser von der Arbeitskammer weg bewegt wird. Der Sekundärkolben ist also direkt und verzögerungsfrei steuerbar. Vorteilhafterweise entspricht die Bewegungsrichtung des Stellantriebs der Bewe gungsrichtung des Sekundärkolbens, so daß sich deren Bewegun gen entsprechen.

Durch die Auslenkung des Stellantriebs und die damit einher gehende Verringerung des Volumens der Arbeitskammer wird das in der Arbeitskammer enthaltene Fluid zusammengedrückt, und dadurch der Kammerdruck erhöht. Durch die Erhöhung des Kam merdrucks erhöht sich auch die vom Fluid auf den Sekundärkol ben ausgeübte Kraft, die zusätzlich zur mechanischen Kraft vorhanden ist. Die Bewegung des Stellantriebs wird solange direkt auf den Sekundärkolben übertragen, bis der Kammerdruck des Fluids so hoch ist, daß dieser allein genügt, den Kolben von der Arbeitskammer weg zu drücken. Dies führt zum Lösen des mechanischen Kraftschlusses zwischen Primär- und Sekun därseite, d. h. daß der Stellantrieb und der Kolben mecha nisch entkoppeln. Die Kraftübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite geschieht also ab diesem Zeitpunkt rein hydrau lisch, wobei der vom Kolben ausgeführte Hub größer ist als derjenige des Stellantriebs. An die Hubphase der mechanisch- hydraulischen Kraftübertragung schließt sich somit eine Hub phase mit rein hydraulischer Hubübersetzung an.

Ein weiteres Beispiel für eine Kraftübertragung bei anfangs hohen Kräften und folgender Hubübertragung ist der Einsatz einer Doppelmembran zwischen primärseitigem Stellantrieb und sekundärseitigem Kolben. Dabei ist in Ruhestellung der mecha nische Kraftschluß zwischen Stellantrieb und Kolben dadurch gewährleistet, daß beispielsweise entweder ein Hütchen als Teil einer Membran auf der anderen Membran aufliegt oder eine der Membranen zur anderen hin gewölbt ist.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der Aufbau eines Kraftübertragers beispielhaft dargelegt.

Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Kraftübertrager als Teil eines Ventilsystems,

Fig. 2 zeigt als Skizze ein Kraft-Weg-Diagramm eines Kraftübertragers,

Fig. 3 zeigt beispielhaft als Schnittdarstellung in Sei tenansicht eine weitere Ausführungsform des Kraftübertragers mit einer Membran,

Fig. 4 zeigt beispielhaft als Schnittdarstellung in Sei tenansicht eine Ausführungsform eines Kraftübertra gers mit Doppelmembran,

Fig. 5 zeigt beispielhaft als Schnittdarstellung in Sei tenansicht eine weitere Ausführungsform eines Kraftübertragers mit Hilfe einer Doppelmembran.

Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Kraftübertrager als Teil ei nes hydraulisch gesteuerten Ventils. In einem Gehäuse 1 ist eine Bohrung 8 eingebracht, in der ein primärseitiger An triebskolben 9 axialverschiebbar vorhanden ist. Der Antriebs kolben 9 ist im wesentlichen ein einseitig offener, hoher Zy linder, wobei durch den Antriebskolben 9 und das Gehäuse 1 eine Arbeitskammer 3 geschaffen wird. Zwischen der an die Ar beitskammer 3 grenzenden Wand des Antriebskolbens 9 (vorteilhafter Durchmesser 5-50 mm) und dem Gehäuse 1 ist ein primärseitiger Stellantrieb 5 angebracht. Der Stellantrieb 5 ist in dieser Figur vorteilhafterweise als Piezoelement aus geführt, weil dieses sehr hohe Kräfte erzeugen kann, einfach handhabbar ist, verzögerungsfrei anspricht und einen linearen Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Längenausdeh nung zeigt. Die Anschlüsse zur Steuerung des Piezoelementes sind zur einfacheren Darstellung nicht eingezeichnet, können aber beispielsweise an den beiden Stirnflächen in axialer Richtung anliegen. Die Länge des Piezoelementes in (axialer) Ausdehnungsrichtung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise 5-100 mm, seine Kantenlänge senkrecht dazu (bei quaderförmiger Ausführung)bzw. sein Durchmesser (bei zylinderförmiger Ausführung) betragen vorteilhafterweise 2-20 mm. Typische Piezohübe liegen im Bereich von 0,10-0,17% der Länge des Piezoelementes.

Zwischen primären Stellantrieb 5 und Gehäuse 1 ist eine Aus gleichscheibe 14 angebracht, durch die vorteilhafterweise thermische Ausdehnungen im Kraftübertrager ausgeglichen werden. Die Ausgleichsscheibe 14 kann aber auch an anderer Stel le in der Hubübertragungskette angebracht sein. Durch ein oder mehrere Federn 12 wird der Antriebskolben 9 von der Ar beitskammer 3 weg gedrückt. Zwischen dem Antriebskolben 9 und der senkrecht zur Bewegungsrichtung vorhandenen Wand der Boh rung 8 ist eine umlaufende Dichtung 13 vorhanden, die die Ar beitskammer 3 hydraulisch gegen den rückwärtigen Teil der Bohrung 8 abdichtet.

In die Arbeitskammer 3 mündet eine Bohrung 2, in der ein Se kundärkolben 6 axialverschiebbar angeordnet ist. Die Bewe gungsrichtung des Sekundärkolbens 6 entspricht derjenigen des Antriebskolbens 9. Die Bohrung 2 führt zentriert und senk recht in die dem Antriebskolben 9 entgegengesetzt liegende Wand der Arbeitskammer 3. Es sind aber auch andere Bohrungen 2 möglich, beispielsweise mehrere Bohrungen 2, die in einem rotationssymmetrischen Muster in die Arbeitskammer 3 münden und jeweils einen bestimmten Winkel zur Bewegungsrichtung des Stellantriebs 5 besitzen.

Die Arbeitskammer 3 wird über eine Befüllzuleitung 10, die mit einem Rückschlagventil 11 versehen ist, mit einem Fluid 4 befüllt. Die Befüllzuleitung 10 ist notwendig, damit mögliche Fluidverluste durch Leckagen ausgeglichen werden. Die Ar beitskammer ist nur weitgehend hydraulisch abgedichtet, d. h. daß bei Kompression der Arbeitskammer 3 der Druckaufbau des Fluids 4 durch eine Leckage nicht signifikant gestört wird. In dieser Figur treten Leckagen durch Verlust von Fluid 4 zwischen Bohrung 2 und Sekundärkolben 6 auf (siehe auch Fig. 3), sie verursachen aber eine vorteilhafte Kühlung des Kraftübertragers. Zur weitergehenden Abdichtung kann bei spielsweise eine umlaufende Dichtung zwischen Bohrung 2 und Sekundärkolben 6 verwendet werden. Zum Einsatz in Kraftstof finjektoren kann als Fluid 4 beispielsweise Benzin, Diesel oder Methanol eingesetzt werden.

Auf der der Arbeitskammer 3 entgegengesetzten Seite des Kol bens 6 ist ein Stößel 20 angebracht, welcher auf einem Dicht element 22 aufliegt. Die den Stößel 20 umgebende Wand der Bohrung 2 weist einen Ablauf 26 auf, der beispielsweise drucklos betrieben wird. Das Dichtelement 22, das hier als Kugel ausgestaltet ist, dichtet in Ruhestellung die Bohrung 2 gegenüber einer Rückstellkammer 23 ab, wobei in Ruhestellung die Rückstellkammer 23 mit einem unter einem Druck stehenden Fluid 24 befüllt wird. Dies kann beispielsweise ein unter ei nem Hochdruck von 75-2500 bar stehender Kraftstoff, bei spielsweise Diesel, Benzin oder Methanol, sein. Wenn die Ar beitskammer 3 Leckagen aufweist, ist die Verwendung gleicher Fluide 4 und 24 vorteilhaft. Durch ein oder mehrere Federn 27 wird sichergestellt, daß das Dichtelement 22 vorteilhafter weise auch im drucklosen Zustand oder bei nur geringen Drüc ken des Fluids 24 abdichtet, beispielsweise bei Lecks im Hochdrucksystem oder nach Einschalten des Kraftstoffinjek tors. In diesem Ausführungsbeispiel bilden also druckbefüllte Rückstellkammer 23, Federn 27 und Dichtelement 22 eine Rück stellvorrichtung 7. Die Federn 27 können aber beispielsweise auch direkt am Sekundärkolben 6 angreifen, beispielsweise durch Abstützung an der Wand der Bohrung 2. Die Rückstellkam mer 23 ist wiederum mit einer Ventilkammer 28 eines Ventils verbunden, wobei zur Steuerung der Druckcharakteristik die Verbindung zwischen Rückstellkammer 23 und Ventilkammer 28 gedrosselt ausgeführt sein kann. Die Ventilkammer 28 wird wiederum über eine (optional gedrosselte) Zuleitung 25 mit dem unter einem Druck stehenden Fluid 24 befüllt. Durch den Druck des Fluids 24 in der Arbeitskammer 28 wird die Bewegung eines Hydraulikkolbens 29 gesteuert. Der Hydraulikkolben kann beispielsweise eine Einspritzdüsennadel eines Kraftstoffin jektors bewegen, welche wiederum die Kraftstoffzufuhr in ei nen Motor regelt. Die vorteilhafterweise verwendeten Hübe der Einspritzdüsennadel liegen zwischen 25 µm und 250 µm. Weiter hin kann der Kraftübertrager beispielsweise in linearen Stel lantrieben im Flugzeugbau verwendet werden, z. B. bei draht gelenkten Stellantrieben für Seiten- und Höhenruder (sog. "Fly-by-Wire").

In Ruhestellung des Kraftübertragers ist die Länge des pri märseitigen Stellantriebs 5 in axialer Richtung minimal. Dies ist gleichbedeutend damit, daß das Volumen der Arbeitskammer 3 maximal ist. Der Druck PK in der Arbeitskammer 3 entspricht dann dem über die Zuleitung bereitgestellten Druck, vorteil hafterweise 1-50 bar. Zugleich ragt der Kolben 6 soweit in den Arbeitsraum, daß das Dichtelement 22 die Rückstellkammer 23 gegen die Bohrung 2 abschließt. Durch den Ablauf 26 ist sichergestellt, daß die Bohrung 2 weitgehend drucklos ist. Bei geschlossenem Dichtventil 22 baut sich in der Rückstell kammer 23 durch Zuleitung von Fluid 24 aus der Ventilkammer 28 ein hoher Druck auf das Dichtelement 22 auf. Die durch die Federn 27 auf das Dichtelement 22 ausgeübten Kräfte sind da gegen vergleichsweise klein. Durch den hohen Druck in der Rückstellkammer 23 und der Ventilkammer 28 ist der Ventilkol ben 29 maximal ausgelenkt, d. h. von der Ventilkammer 28 weg verschoben.

Zu Beginn der Hubphase wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dem als Stellantrieb 5 wirkenden Piezoelement ei ne Spannung angelegt, so daß es sich in axialer Richtung ver längert. Durch die Verlängerung des Stellantriebs 5 wird der Antriebskolben 9 in Richtung der Arbeitskammer 3 gedrückt und verkleinert diese. Der mechanische Kraftschluß zwischen pri märseitigem Stellantrieb 5 und sekundärseitigem Kolben 6 be wirkt, daß die vom Stellantrieb 5 ausgeübte Kraft in Axial richtung direkt und verzögerungsfrei auf den Kolben 6 über tragen wirkt. Gleichzeitig erhöht sich mit einer Verringerung des Volumens der Arbeitskammer 3 der Druck PK des Fluids 4 in der Arbeitskammer 3. Das Rückschlagventil 11 verhindert, daß Fluid 4 aus der Arbeitskammer 3 über die Befüllzuleitung 10 ausströmt. Außer eines Rückschlagventils 11 kann beispiels weise auch eine Durchflußdrossel verwendet werden, die einfa cher handzuhaben ist, aber eine zusätzliche Leckage aus der Arbeitskammer 3 verursachen kann. Geht man zunächst davon aus, daß sich beide Kolben 6, 9 weiterhin auf Anlage befinden, so wirkt auf den Sekundärkolben 6 neben der mechanisch vom Antriebskolben 9 ausgeübten Kraft eine zusätzliche hydrauli sche Druckkraft auf den sekundärseitigen Kolben 6. Zur Nutzung der hydraulischen Druckkraft ist der Sekundärkolben so geformt, daß die Kontaktfläche zwischen Sekundärkolben und Antriebskolben kleiner ist als die in die Arbeitskammer 3 hineinragende Querschnittsfläche des Sekundärkolbens 6. Zur einfachen Herstellung verringert sich vorteilhafterweise die Querschnittsfläche des Sekundärkolbens 6 zum Ende seiner mit dem Fluid 4 in Kontakt stehenden Seite hin. In dieser Figur beispielsweise besitzet dieses Endstück des Sekundärkolbens 6 die Form eines abgeflachten Kegels.

Während die mechanisch auf den Sekundärkolben 6 wirkende An triebskraft bei weiterer Verschiebung des Antriebskolbens 9 aufgrund der fallenden Kraft/Weg-Charakteristik des Piezoele mentes abnimmt, steigt die hydraulische Druckkraftkomponente durch die zunehmende Kompression des in der Arbeitskammer 3 eingeschlossenen Fluids 4 an. Dies hat zur Folge, daß mit zu nehmender Verschiebung der beiden Kolben 6, 9 die hydrauli schen Antriebskräfte am Sekundärkolben 6 wachsen, und ab ei nem bestimmten Druck PK des Fluids 4 in der Arbeitskammer 3 sich der Sekundärkolben 6 vom Antriebskolben 9 trennt und sich rein hydraulisch von der Arbeitskammer 3 weg bewegt. Der vom Sekundärkolben zurückgelegte Weg ist jetzt größer als die Auslenkung des primärseitigen Stellantriebs 5 bzw. des An triebskolbens 9, es findet also zusammen mit der rein hydrau lischen Bewegung eine Hubübersetzung statt.

Nach dem Entkoppeln der beiden Kolben 6, 9 steigt die druck wirksame Fläche des Sekundärkolbens 6 und dadurch die hydrau lisch auf diesen ausgeübte Kraft. Infolgedessen wird das Ab steuerventil 22 nach Überwinden der ersten kraftstoßartigen Hubphase hydraulisch übersetzt geöffnet. Unterstützt wird dieser Vorgang durch den während des Hubvorgangs stark fal lenden Druck in der Rückstellkammer 23, so daß die weitere hydraulisch übersetzte Verschiebung des Sekundärkolbens 6 ei nen gegenüber der Anfangsphase wesentlich niedrigeren Kraft bedarf erfordert. Das geometrische Übersetzungsverhältnis Π (Π = Verhältnis der druckbelasteten Querschnittsfläche des Antriebskolbens 9 zur druckbelasteten Querschnittsfläche des Sekundärkolbens 6, jeweils in Bewegungsrichtung nach Entkoppeln) reicht dabei vorteilhafterweise von Π = 1 (gleicher Querschnitt der Kolben 6, 9) bis Π = 50 (großer Querschnitt des Antriebskolbens 9, kleiner Querschnitt des Sekundärkolbens 6).

Zur Beendigung des Hubvorgangs wird das als Stellantrieb 5 eingesetzte Piezoelement entladen, was ein schnelles durch die Federn 12 unterstütztes Rückstellen des Antriebskolbens 9 bewirkt. Dadurch kann der Kammerdruck PK unter den von der Zuleitung 10 bereitgestellten Druck des Fluids 4 fallen, so daß der Sekundärkolben 6 außer von den von der Rückstellkam mer 23 ausgeübten Kräften auch durch einen Unterdruck in der Arbeitskammer 3 zurückgestellt wird. Mit Zurückziehen des Se kundärkolbens 6 schließt auch das Dichtelement 22, Antriebs kolben 9 und Sekundärkolben 6 befinden sich wieder auf Anla ge.

Fig. 2 zeigt schematisch das Arbeitsdiagramm des hydrau lisch-mechanischen Kraftübertragers in Form eines Kraft-Weg- Diagramms bei Auftragung der auf den Sekundärkolben 6 Staus geübten Kraft F gegen seine Verschiebung x. Nach Durchlaufen der Direktantriebsphase A, gekennzeichnet durch den steilen Gradienten, schaltet der Antrieb selbsttätig auf hydraulische Hubübersetzung B, zu erkennen am flacheren Gradienten, um.

In Fig. 3 zeigt schematisch in Schnittdarstellung ein weite res Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle des Antriebskolbens 9 eine Membran 15 zum Einsatz kommt. Der Durchmesser der, hier kreisförmigen, Membran 15 beträgt vorteilhafterweise 5- 50 mm, das geometrische Übersetzungsverhältnis Π des Durch messers der Membran 15 zur zur druckbelasteten Querschnitts fläche des Sekundärkolbens 6 liegt vorteilhafterweise im Be reich 1 < Π ≦ 50. Die Materialien der Membran sind bei spielsweise Metalle(vorteilhafterweise Edelstähle mit hohem Elastizitätsmodul), Keramiken oder keramikähnliche Materiali en und/oder Faserverbundwerkstoffe. Die vom einem Stellan trieb 5 in Form eines Piezoelementes generierte Kraft wird vorzugsweise über eine der optimalen Krafteinleitung dienende Scheibe 16 auf die vorzugsweise metallische Membrane 15 über tragen. Die durch die Membrane 15 und das Gehäuse 1 gebildete Arbeitskammer 3 wird über eine Befüllzuleitung 10, die mit einem in die Arbeitskammer 3 öffnenden Rückschlagventil 11 versehen ist, mit Fluid 4 befüllt. An die Arbeitskammer 3 grenzt eine Bohrung 2, so daß ein in der Bohrung axialver schiebbar angebrachter Kolben 2 in die Arbeitskammer 3 hin einragt. Die Arbeitsweise dieses Kraftübertragers ist weitge hend analog zu in Fig. 1, wobei hier durch Verschiebung des Stellantriebs 5 die Membran in die Arbeitskammer 3 hineinge drückt wird. Im Gegensatz zu Fig. 1 besitzt die Verwendung einer Membran 15 den Vorteil eines einfacheren Aufbaus, weil sich die Membran 15 nach Rückziehen des Stellantriebs 5 selbsttätig zurückstellt. Dadurch werden beispielsweise keine Federn 12 benötigt.

Im Gegensatz zu den in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigten offenen, d. h. leckagebehafteten Kraftübertragersystemen, die eine zur Auffüllung von Lackageverlusten dienende Befüllzuleitung 10 benötigen, zeigt Fig. 4 ein von einer Doppelmembrane 17 ge bildetes, vorteilhafterweise geschlossenes Übertragersystem. Die Doppelmembran 17 kann entweder durch den Einbau einer oberen Membran 18 und einer unteren Membran 19 in das Gehäuse 1 gebildet werden oder zur vereinfachten Herstellung und Handhabung vorteilhafterweise als gesondert gefertigtes Bau teil vorliegen. Die Membranen 18, 19 sind vorteilhafterweise metallisch, vorteilhafterweise aus Edelstahl mit hohem Ela stizitätsmodul, es können aber auch jeweils unterschiedliche Werkstoffe für die Membranen 18, 19 eingesetzt werden (z. B. Keramiken oder keramikähnliche Materialien und/oder Faserver bundwerkstoffe). Das geometrische Übersetzungsverhältnis Π des Durchmessers der oberen Membran 18 zum Durchmesser der unteren Membran 19 liegt vorteilhafterweise im Bereich 1 < Π ≦ 50. In Fig. 4 ist eine gesondert gefertigte Doppelmembran 17 eingezeichnet, die in das Gehäuse 1 eingeklemmt ist. Die vom einem Stellantrieb 5 in Form eines Piezoelementes generierte Kraft wird vorzugsweise über eine der optimalen Kraft einleitung dienende Scheibe 16 auf die obere Membrane 18 übertragen. Der als Arbeitskammer 3 wirkende Innenraum der Doppelmembrane 17 ist in Ruhestellung mit einem unter einem Anfangsdruck stehenden Fluid 4 gefüllt. Als Fluide 4 können beispielsweise synthetische Öle (Silikonöl, polymere Dime thyysiloxane, polymere Methylphenylsiloxane), Mineralöle, Fette oder Gele eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft sind dabei Silikonöle wegen ihrer geringen thermischen Ausdehnung.

Zur direkten Kraftübertragung zwischen Stellantrieb 5 und Se kundärkolben 6 dient ein an der oberen Membrane 18 befestig tes Hütchen 21, welches auch Bestandteil der oberen Membrane 18 selbst sein kann und dessen Kontaktfläche auf einer unte ren Membrane 19 kleiner ist als die druckwirksame Fläche der unteren Membrane 19. Die Hubübersetzung geschieht dadurch, daß sich durch einen ausreichend hohen Kammerdruck PK die un tere Membran 19 von der Arbeitskammer 3 weg wölbt und diese Bewegung an den Sekundärkolben 6 weitergibt. Bei dieser Kon struktion ist die maximale Auslenkung des Sekundärkolbens 6 auf die Auslenkung der unteren Membran 19 beschränkt. Vor teilhafterweise stellen sich beide Membranen 18, 19 bei Zu rückziehen des Stellantriebs 5 selbstständig zurück.

In Fig. 5 wird eine weitere Ausführung einer Doppelmembran 17 zur Kraftübertragung gezeigt. Hierbei liegt die gesondert gefertigte Doppelmebran 17 auf dem Gehäuse 1 auf. Die Ar beitskammer 3 ist wiederum mit einem unter einem Druck ste henden Fluid 4 gefüllt. Die direkte Kraftübertragung vom Stellantrieb 5 auf den Sekundärkolben 6 zu Beginn der Hubpha se wird durch eine Wölbung der unteren Membran 19 in Richtung der oberen Membran 18 gewährleistet, bei der sich beide Mem branen 18, 19 berühren. Die vom einem Stellantrieb 5 in Form eines Piezoelementes generierte Kraft wird vorzugsweise über eine der optimalen Krafteinleitung dienende Scheibe 16 auf die obere Membrane 18 übertragen. Bei Betätigung des Stellan triebs 5 drückt dieser die obere Membran 18 so lange gegen die untere Membran 19, bis sich bei einem ausreichend hohen Kammerdruck PK die untere Membran 19 von der Arbeitskammer 3 weg wölbt und diese Bewegung an den Sekundärkolben 6 weiter gibt.

Zur Rückstellung der Kraftübertragers besitzt vorteilhafter weise die obere Membran 18 eine größere Rückstellkraft als die untere Membran 19. Nach dem Zurückziehen des Stellan triebs 5 stellt sich die obere Membran sich ebenfalls zurück und unterstützt durch den in der Arbeitskammer 3 erzeugten Unterdruck die Ausbildung der ursprünglich vorhandenen Wöl bung der unteren Membran 19.

Claims

1. Vorrichtung zur Kraftübertragung, aufweisend
eine Arbeitskammer (3), die ein unter einem Kammerdruck (PK) stehendes Fluid (4) enthält, und an die mindestens ei ne Bohrung (2) grenzt,
einen Stellantrieb (5), mittels dessen Hub ein Volumen der Arbeitskammer (3) veränderbar ist,
einen in der jeweiligen Bohrung (2) axialverschiebbar ange ordneten Sekundärkolben (6), der in Ruhestellung einen di rekten oder einen mindestens über eine Membran (15, 18) o der einen Antriebskolben (9) übertragenen mechanischen Kraftschluß mit dem Stellantrieb (5) aufweist,
eine Rückstellvorrichtung (7) pro Sekundärkolben (6), die den jeweiligen Sekundärkolben (6) in Richtung der Arbeits kammer (3) druckt,
wobei
aufgrund des Kammerdrucks (PK) des Fluids (4) in der Ar beitskammer (3) ein hydraulischer Kraftschluß zwischen Stellantrieb (5) und Sekundärkolben (6) vorhanden ist,
durch Bewegung des Stellantriebs (5) aus der Ruhestellung heraus der Sekundärkolben (6) bei gleichzeitiger Erhöhung des Kammerdrucks (PK) solange direkt verschiebbar ist, bis der Sekundärkolben (6) nach einem Lösen des mechanischen Kraftschlusses ausschließlich durch hydraulische Überset zung verschiebbar ist.

2. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach Anspruch 1, bei der der Stellantrieb (5) und mindestens ein Sekundärkolben (6) die gleiche Bewegungsrichtung besitzen.

3. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der vorherge henden Ansprüche, bei der
im Gehäuse (1) eine weitere Bohrung (8) existiert, in welcher sich mindestens teilweise ein Antriebskolben (9) befindet, der in der zweiten Bohrung (8) axialverschiebbar ist, so
daß durch die zweite Bohrung (8) und den Antriebskolben (9) die Arbeitskammer (3) gebildet wird,
die Bohrung (2) in die Arbeitskammer (3) mundet, wobei der Sekundarkolben (6) dem Fluid (4) ausgesetzt ist,
die Arbeitskammer (3) durch eine Befüllzuleitung (10) mit dem Fluid (4) beliefert wird, wobei die Befüllzuleitung (10) gedrosselt ist oder mit einem in die Arbeitskammer (3) öffnenden Rückschlagventil (11) versehen ist,
der Stellantrieb (5) auf den Antriebskolben (9) wirkt.

4. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach Anspruch 3, bei der der Stellantrieb (5) außerhalb der Arbeitskammer (3) ange bracht ist,

5. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 3-4, bei der
der Antriebskolben (9) im wesentlichen ein einseitig offe ner Hohlkörper ist, wobei die Öffnung in der der Arbeits kammer (3) abgewandten Seite des Antriebskolbens (9) ange bracht ist,
der Stellantrieb (5) sich an der an die Arbeitskammer (3) angrenzenden Wand des Antriebskolben(9) und an dem Gehäuse (1) abstützt.

6. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 3-5, bei der der Antriebskolben (9) mit Hilfe einer oder meh rerer Druckfedern (12) in Ruhestellung gedruckt wird.

7. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 3-6, bei der zwischen dem Antriebskolben (9) und der senk recht zur Bewegungsrichtung vorhandenen Wand der Bohrung (2) eine umlaufende Dichtung (13) vorhanden ist.

8. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 3-7, bei der sich zwischen Stellantrieb (5) und einer den Stellantrieb ab stützenden Fläche ein Ausgleichselement (14) zum Ausgleich thermisch bedingter Längenänderungen befindet.

9. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 3-8, bei der die Außenmaße des Antriebskolbens (9) senkrecht zur Bewegungsrichtung im Bereich 5-50 mm liegen.

10. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 1-2, bei der
die Arbeitskammer (3) durch die Bohrung (8) und eine in die Wand der Bohrung (8) fest eingespannte Membran (15) gebil det wird,
der Stellantrieb (5) auf die der Arbeitskammer (3) entge gengesetzte Seite der Membran (15) wirkt,
die Bohrung (2) in die Arbeitskammer (3) mündet, so daß der Sekundärkolben (6) dem Fluid (4) ausgesetzt ist.

11. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der vorherge henden Ansprüche, bei der die Kontaktfläche des Sekundärkol bens (6) zur mechanischen Kraftübertragung vom Stellantrieb (5) kleiner ist als die in die Arbeitskammer (3) hineinragen de Querschnittsfläche des Sekundärkolbens (6).

12. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 1-2, bei der
die Arbeitskammer (3) der Innenraum einer Doppelmembran (17) ist, wobei die Doppelmembran (17) aus einer oberen Membran (18) und einer dazu im wesentlichen parallel einge spannten unteren Membran (19) aufgebaut ist,
die untere Membran (19) einer Öffnung der Bohrung (2) gege nüberliegt,
die obere Membran (18) durch den Stellantrieb (5) ver schiebbar ist,
wobei in Ruhestellung die Membranflächen der oberen Membran (18) und der unteren Membran (19) miteinander in mechanischem Kontakt stehen, so daß ein Teil der unteren Membran (19) dem unter Druck stehenden Fluid (4) ausgesetzt ist.

13. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach Anspruch 12, bei der der mechanische Kontakt zwischen oberer Membran (18) und unterer Membran (19) durch ein mit der oberen Membran (18) fest verbundenes Hütchen (21) realisiert ist.

14. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach Anspruch 13, bei der das Hütchen (21) Teil der oberen Membran (18) ist.

15. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach Anspruch 12, bei der der mechanische Kontakt zwischen oberer Membran (18) und unterer Membran (19) durch eine Wölbung der unteren Membran (19) in die Arbeitskammer (3) realisiert ist.

16. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 12-15, bei der das Fluid (4) ein Silikonöl ist.

17. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 10-16, bei der mindestens eine Membran (15, 18, 19) metal lisch ist.

18. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 10-17, bei der der Durchmesser der an den Stellantrieb gren zenden Membran (15, 18) im Bereich von 5-50 mm liegt.

19. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 10-18, bei der zwischen Stellantrieb (5) und der durch den Stellantrieb (5) unmittelbar bewegten Membran (15, 18) eine Scheibe (16) vorhanden ist.

20. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der vorherge henden Ansprüche, bei der der Kammerdruck (PK) in Ruhestel lung 1-50 bar beträgt.

21. Vorrichtung zur Kraftübertragung nach einem der vorherge henden Ansprüche, bei der der Stellantrieb (5) ein Piezoele ment ist.

22. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Kraftübertra gung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem in Ruhestellung das Volumen der Arbeitskammer (3) maximal ist, und
bei Bewegung des Stellantriebs (5) aus der Ruhestellung her aus das Volumen der Arbeitskammer (3) verringert wird, wo durch der Kammerdruck (PK) stetig erhöht wird, und
der Sekundärkolben (6) mit Hilfe des mechanischen Kraft übertrags zwischen Sekundärkolben (6) und Stellantrieb (5) entgegen der Richtung der Arbeitskammer (3) verschoben wird, und
durch den steigenden Kammerdruck (PK) der hydraulische Kraftschluß so weit ansteigt, daß der Sekundärkolben (6) vom Stellantrieb (5) mechanisch entkoppelt und ausschließ lich durch hydraulische Hubübertragung bewegt wird, und
die Ruhestellung durch Rückbewegung des Stellantriebs (5) wieder eingenommen wird.

23. Verfahren zur Kraftübertragung nach Anspruch 22, bei dem der Sekundärkolben (6) 25-250 µm aus der Ruhestellung ver schoben wird.

24. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 zur Ventilsteuerung oder Kraftstoffeinspritzung.

25. Verwendung nach Anspruch 24 zur Ventilsteuerung, wobei der Sekundärkolben (6) auf seiner der Arbeitskammer abgewand ten Seite über einen Stössel (20) mit einem Dichtelement (22) verbunden ist, welches im Ruhezustand die Bohrung (2) gegen eine Rückstellvorrichtung (7) in Form einer Rückstellkammer (23), die mittels einer Zuleitung (25) mit dem Fluid druckbe aufschlagt ist, hydraulisch abdichtet, wobei die den Stössel (20) umgebende Wand der Bohrung (2) einen Ablauf (26) auf weist.

26. Verwendung nach einem der Ansprüche 25 oder 25 zur Ven tilsteuerung, bei dem der Sekundärkolben (6) zusätzlich di rekt oder indirekt durch ein oder mehrere Federn (27) in sei nen Sitz gedrückt wird.

27. Verwendung nach einem der Ansprüche 25 oder 26 zur Ven tilsteuerung, bei der die Rückstellkammer (23) mit einer Ven tilkammer (28) verbunden ist, wobei durch den Druck des Flu ids (24) in der Ventilkammer (28) eine Bewegung eines Ventil kolbens (29) gesteuert wird.

28. Verwendung nach Anspruch 27 zur Kraftstoffeinspritzung, bei der die Zuleitung (25) in die Ventilkammer (28) führt und diese mit Kraftstoff als Fluid (24) befüllt, wobei die Bewe gung des Ventilkolbens (29) eine Einspritzung steuert.