DE19807903C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Kraftübertragung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur KraftübertragungInfo
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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 (28)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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