DE19914715C2 - Vorrichtung zum Übertragen einer Aktorbewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Längsbewegung eines Aktors auf ein Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung, im wei­ teren auch als Übersetzer bezeichnet, ist aus der US 4 101 076 bekannt.

In der US 4 101 076 wird ein Kraftstoffeinspritzventil beschrieben, das einen piezoelektrischen Aktor aufweist, der mit Hilfe eines mechanischen Übersetzers direkt eine Ein­ spritznadel im Einspritzventil ansteuert. Der mechanische Übersetzer weist zwei unterschiedlich lange Hebelarme auf, die im rechten Winkel miteinander verbunden sind, wobei der kürzere Hebelarm sich in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor und der längere Hebelarm in Kontakt mit der Einspritz­ nadel befindet. Der Hebelübersetzer ist weiterhin in seinem Winkelbereich an einem Gehäuse des Einspritzventils abge­ stützt. Bei einer Auslenkung des piezoelektrischen Aktors wird der Hebelübersetzer um einen Drehpunkt im Winkelbereich gedreht und erzeugt aufgrund der unterschiedlichen Längen der zwei Hebelarme eine größere Auslenkung der Einspritznadel.

Die Form des in der US 4 101 076 eingesetzten Hebelüber­ setzers besitzt jedoch nur eine mäßige Steifigkeit, was ins­ besondere bei den hochdynamischen Schaltvorgängen des Ein­ spritzventils zu Ungenauigkeiten bei der Übertragung der Aus­ lenkung des piezoelektrischen Aktors führen kann. Weiterhin wirken bei der Drehbewegung auf den Hebelübersetzer hohe Druckkräfte, die zu Verformungen und Spannungen und damit zu einem hohen Verschleiß des Hebelübersetzers führen können, der wiederum einen Hubverlust nach sich ziehen kann.

Würdigung des Standes der Technik

Aus DE 37 13 697 A1 ist ein Steuerventil mit einer Druckkam­ mer bekannt, bei der die Druckkammer auf der einen Seite von einer Membran und auf der anderen Seite von einem geführten Kolben begrenzt ist. Die Form der Druckkammer wird im wesent­ lichen durch einen trichterförmigen Deckel ausgestaltet. Die Membran steht mit einem Aktor und der Kolben mit einem Ven­ tilelement in Verbindung.

Aus DE 198 03 842 A1 ist ein elektrischer Festkörperaktuator mit hydraulischer Übersetzung bekannt. Die hydraulische Über­ setzung weist einen Vordruckraum auf, der mit einer Flüssig­ keit gefüllt ist, und der auf einer Seite durch eine mit ei­ nem Aktuatorkörper verbundene Membran und auf der anderen Seite durch einen federnden, großflächigen Plattenkörper be­ grenzt ist. Der Plattenkörper begrenzt seinerseits eine Seite eines Übertragerraums. Der Übertragerraum wird auf der ande­ ren Seite durch einen federnd abgestützten kleinflächigen Kolbenkörper begrenzt. Der Kolbenkörper wirkt auf ein Stell­ mittel ein. Im Plattenkörper ist eine Ventilöffnung vorgese­ hen, die den Vordruckraum mit dem Übertragerraum verbindet, und die über einen mit der Membran verbundenen Ventilkörper verschließbar ist. Der Kolbenkörper ist über einen Federbalg mit einem Trägerkörper verbunden, der den Übertragerraum in zwei Bereiche aufteilt. Im Trägerkörper ist ein Kanal einge­ bracht, der die zwei Bereiche miteinander verbindet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung zum Übertragen einer Längsbewegung eines Aktors auf ein Stellglied bereitzustellen, die sich durch eine hohe Zuver­ lässigkeit auch bei hochdynamischen Schaltvorgängen auszeich­ net.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung weist ein Übertragungselement eine zwei­ stufige Druckkammer mit einer ersten Druckraumstufe und einer zweiten Druckraumstufe auf, die miteinander verbunden und mit einem hydraulischen Medium gefüllt sind, wobei in der ersten Druckraumstufe ein erster Kolben geführt wird, der in einer Wirkverbindung mit einem Aktor steht, und in der zweiten Druckraumstufe ein zweiter Kolben geführt wird, der in einer Wirkverbindung mit einem Stellglied steht, wobei die erste Druckraumstufe einen größeren Durchmesser als die zweite Druckraumstufe aufweist und der zweite Kolben mit einer Rück­ stellkraft beaufschlagt wird.

Das erfindungsgemäße hydraulische Übertragungssystem bildet ein für Störungen wenig empfindliches System, bei dem veriie­ rende Abstände zwischen dem Aktor und dem Stellglied ausge­ glichen und überbrückt werden können. Es gibt weiterhin keine kompliziert geformten Bauteile, so dass die Montage einfach ist und Bauteiltoleranzen herabgesetzt werden können. Außer­ dem ist das hydraulische Übertragungssystem kaum verschleiß­ anfällig.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anhän­ gigen Ansprüchen angegeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Darstellung in der Zeichnung näher erläutert, die einen Schnitt durch einen Stellantrieb eines eines Kraftstoffein­ spritzventils zeigt.

Die Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Stel­ lantrieb eines Kraftstoffeinspritzventils, der sich im we­ sentlichen aus einem Ventilgehäuse 1 mit einer stufig ausge­ bildeten Innenbohrung 11, einem piezoelektrischen Aktor 2 und einem als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Schieberventil 5 zu­ sammensetzt. Der piezoelektrische Aktor 2 ist dabei aus meh­ reren übereinandergestapelten piezoelektrischen Aktorelemen­ ten 21 aufgebaut, die in einem als Rohrfeder ausgebildeten Hohlkörper 22 angeordnet sind. Dieser Hohlkörper 22 ist mit einer Kopfplatte 23 und einer Bodenplatte 24 verbunden, wobei die aufeinandergestapelten piezoelektrischen Aktorelemente 21 mit einer definierten Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorgespannt werden.

Zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktors 2 sind die Aktorelemente 21 leitend mit aus der Kopfplatte 23 hervorste­ henden Kontaktstiften (nicht gezeigt) verbunden, die in einem auf den Aktor aufgesetzten Aktoranschluß 3 mit einer Spannung belegt werden, wodurch eine Längsdehnung beim piezoelektri­ schen Aktor 2 hervorgerufen wird. Der piezoelektrische Aktor 2 ist weiterhin in einem Aktorgehäuse 25 angeordnet, das am oberen Ende der stufig ausgebildeten Innenbohrung 11 im Ven­ tilgehäuse 1 fest eingespannt ist. Das Aktorgehäuse 25 ist dabei gegen einen ringförmig umlaufenden Absatz 12 an der In­ nenbohrung 11 abgestützt und wird von einer Hohlschraube 18 festgehalten, die an einem um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 26 angreift und mit dem Ventilgehäuse 1 verschraubt ist.

An den Absatz 12 der zylindrischen Innenbohrung 11 schließt sich eine zweistufige Druckkammer an, wobei eine er­ ste zylindrische Druckkammerstufe 41 einen größeren Durchmes­ ser als eine zweite Druckkammerstufe 42 besitzt. Die zweite Druckkammerstufe 42 geht weiterhin absatzlos in eine Ventil­ bohrung 51 über. Das Ventilgehäuse 1 weist darüber hinaus ei­ ne erste Eingangsbohrung 71, eine zweite Eingangsbohrung 72 und eine Ausgangsbohrung 73 auf. Die erste Eingangsbohrung 71, die zweite Eingangsbohrung 72 und die Ausgangsbohrung 73 münden in Ringnuten 71A, 72A, 73A, die in der Wandung der Ventilbohrung 51 ausgebildet sind. Über die erste Eingangs­ bohrung 71 wird ein hydraulisches Medium, vorzugsweise Öl, aus einem Druckspeicher 6 zugeführt. Die zweite Eingangsboh­ rung 72 dagegen wird drucklos gehalten. Die Ausgangsbohrung 73 stellt eine Verbindung zu einem Verbraucher im Kraftstof­ feinspritzventil, z. B. einem Druckverstärker für Kraftstoff, her.

In der Ventilbohrung 51 ist axial beweglich ein als Ven­ tilschieber ausgebildetes Stellglied 52 eingesetzt. Der Ven­ tilschieber 52 wird auf seiner der zweiten Druckkammerstufe 42 gegenüberliegenden Stirnfläche mit der Haltekraft einer Feder 45 beaufschlagt, die in einem an die Ventilbohrung 51 angeschlossenen Federraum 47 untergebracht ist. Um eine Dämp­ fung der Bewegung der Feder 45 zu verhindern, weist das Ven­ tilgehäuse 1 eine drucklos ausgelegte Leckagebohrung 74 auf, die in den Federraum 47 mündet. Der Ventilschieber 52 ist weiterhin mit zwei umlaufenden Ringnuten 53, 54 versehen und kann zwischen einer rechten Ausgangsstellung, die in Fig. 1 dargestellt ist, und einer linken Endstellung (nicht gezeigt) hin und her bewegt werden. Die erste Ringnut 53 ist dabei derart am Ventilschieber 52 angeordnet, daß sie in der rech­ ten Ausgangsstellung zumindest teilweise den beiden Ringnuten 72A, 73A gegenüberliegt, so daß eine Verbindung zwischen der zweiten Eingangsbohrung 72 und der Ausgangsbohrung 73 herge­ stellt ist. Die zweite Ringnut 54 ist dagegen so am Ventil­ schieber 52 geformt, daß in der linken Endstellung die beiden Ringnuten 71A, 72A über die Ringnut 54 miteinander verbunden werden, so daß sich eine Fluidverbindung zwischen der ersten Eingangsbohrung 71 und der Ausgangsbohrung 73 ergibt.

Die Bodenplatte 24 des piezoelektrischen Aktors 2 ist mit einem ersten kolbenförmigen Aufsatz 43 versehen, der fest mit der Bodenplatte 24 verbunden ist oder einstückig mit die­ ser ausgebildet sein kann. Dieser erste kolbenförmige Aufsatz 43 erstreckt sich in die erste Druckkammerstufe 41, wobei der Durchmesser des ersten kolbenförmigen Aufsatzes 43 im wesent­ lichen der ersten Druckkammerstufe 41 entspricht. Der Ventil­ schieber 52 ist weiterhin auf seiner der zweiten Druckkammer­ stufe 42 zugewandten Seite mit einem zweiten kolbenförmigen Aufsatz 44 versehen, der fest mit dem Ventilschieber 42 ver­ bunden ist oder einstückig mit diesem ausgebildet sein kann. Der zweite kolbenförmige Aufsatz 44 erstreckt sich in die zweite Druckkammerstufe 42, wobei der Durchmesser des zweiten kolbenförmigen Aufsatzes 44 im wesentlichen dem der zweiten Druckkammerstufe 42 entspricht. Die Druckkammerstufen 41, 42 sind mit dem hydraulischen Medium gefüllt und steht über eine Drosselleitung 48 mit dem Druckspeicher 6 in Verbindung.

Die beiden kolbenförmigen Aufsätze 43, 44 und die beiden Druckkammerstufen 41, 42 bilden zusammen ein Übertragungselement 41 mit dem eine Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 2 auf den Ventilschieber 52 übertragen wird. Die Figur zeigt den piezoelektrischen Aktor in seiner Ruhestellung und den Ventilschieber 52 in seiner rechten Ausgangsstellung, bei der die Feder 45 den Ventilschieber 52 so einstellt, daß die er­ ste Ringnut 53 am Ventilschieber 52 die zweite Eingangsboh­ rung 72 mit der Ausgangsbohrung 73 verbindet. Hierdurch wird der an die Ausgangsbohrung 73 angeschlossene Verbraucher, z. B. ein Druckverstärker für Kraftstoff oder ein Servoventil, drucklos gehalten.

Bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 be­ wirkt die durch Elektrostriktion hervorgerufene Längsdehnung des Aktors, daß sich der mit der Bodenplatte 24 verbundene erste kolbenförmige Aufsatz 43 in die erste Druckkammerstufe 41 vorschiebt. Hierdurch steigt der Druck auf das hydrauli­ sche Medium in den beiden Druckkammerstufen 41, 42 an. Dieser erhöhte Druck bewirkt dann, daß der zweite kolbenförmige Auf­ satz 44 aus der zweiten Druckkammerstufe 42 und damit der Ventilschieber 52 gegen die Haltekraft der Feder 45 nach links bewegt wird. Hierdurch wird der Ventilschieber 52 aus seiner rechten Ausgangsstellung, bei der eine Verbindung zwi­ schen der zweiten Eingangsbohrung 72 und der Ausgangsbohrung 73 hergestellt wird, in seine linke Endstellung, bei der eine Verbindung zwischen der ersten Eingangsbohrung 71 und der Ausgangsbohrung 73 über die zweite Ringnut 54 besteht, ge­ bracht. In dieser linken Endstellung wird dann der an die Ausgangsbohrung 73 angeschlossene Verbraucher im Einspritz­ ventil mit dem im Druckspeicher 6 herrschenden Druck des hy­ draulischen Mediums beaufschlagt.

Bei der Übertragung der Längsdehnung des piezoelektri­ schen Aktors 2 auf dem Ventilschieber 52 wird der Verschieb­ weg des piezoelektrischen Aktors 2 in einen vergrößerten Ver­ schiebweg des Ventilschiebers 52 umgesetzt, da der erste kol­ benförmige Aufsatz 43 eine größere Druckfläche in der ersten Druckkammerstufe 41 besitzt als der zweite kolbenförmige Auf­ satz 44 in der zweiten Druckkammerstufe 42, wobei die Über­ setzung vom genauen Flächenverhältnis bestimmt wird. Hierdurch kann die kleine Längsdehnung des piezoelektrischen Ak­ tors 2 in einen größeren Hub des Ventilschiebers 2 umgesetzt werden, der zur Schaltung des Schieberventils 5 zwischen sei­ nen beiden Stellungen erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße hydraulische Übersetzung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, der eine leichte Mon­ tage ermöglicht. Weiterhin werden bei der hydraulischen Bewe­ gungsübertragung Bauteiltoleranzen des piezoelektrischen Ak­ tors 2 bzw. des Ventilschiebers 52 ausgeglichen.

Bei der Übertragung der Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 2 auf den Ventilschieber 52 sorgt die Drosselleitung 48 weiterhin für eine kraftgedämpfte und zeitlich verzögerte Übertragung, da der durch das Vorschieben des kolbenförmigen Aufsatzes 43 hervorgerufene plötzliche Druckanstieg in den beiden Druckkammerstufen 41, 42 durch einen Abfluß von hy­ draulischem Medium über die Drosselleitung 48 teilweise auf­ gefangen wird. Hierdurch wird die schnelle Aktorauslenkung in eine gebremste Bewegung des Ventilschiebers 52 übersetzt, wo­ durch Druckspitzen auf dem Ventilschieber 52, die zu einer Beschädigung führen könnten, vermieden werden.

Sobald die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 beendet wird, zieht sich der mit der Bodenplatte 27 verbunde­ ne kolbenförmige Aufsatz 43 aus der ersten Druckkammerstufe 41 zurück und der Druck auf das hydraulische Medium sinkt ab. Gleichzeitig wird der Ventilschieber 52 durch die Haltekraft der Feder 45 aus seiner linken Endstellung wieder in seine linke Ausgangsstellung gebracht. Über die Drosselleitung 48 stellt sich dann ein Druckausgleich zwischen dem Druckspei­ cher 6 und den beiden Druckkammerstufen 41, 42 ein.

Die im wesentlichen aus der den beiden Druckkammerstufen 41, 42, den beiden kolbenförmigen Aufsätzen 43, 44 und der Feder 45 bestehende hydraulische Übertragungsvorrichtung kann prinzipiell bei beliebigen Aktor- und Stellgliedauslegungen eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Übertragen einer Längsbewegung eines Aktors (2) auf ein Stellglied (52) mit einem Übertragungselement (4), das in einer Wirkverbindung mit dem Aktor (2) und dem Stellglied (52) steht, um die Längsbewegung des Aktors in eine vergrößerte Längsbewegung des Stellglieds (52) zu übersetzen, dadurch gekennzeichnet, daß
das Übertragungselement (4) eine zweistufige Druckkammer mit einer ersten Druckkammerstufe (41) und einer zweiten Druckkammerstufe (42) aufweist,
daß die Druckkammer mit einem hydraulischen Medium gefüllt ist,
daß in der ersten Druckkammerstufe (41) ein erster Kolben (43) geführt ist,
daß der Durchmesser des ersten Kolbens (43) im wesentlichen dem Durchmesser der ersten Druckkammerstufe (41) entspricht,
daß der erste Kolben (43) in Wirkverbindung mit dem Aktor (2) steht,
daß in der zweiten Druckkammerstufe (42) ein zweiter Kolben (44) geführt ist,
daß der Durchmesser des zweiten Kolbens (44) im wesentlichen dem Durchmesser der zweiten Druckkammerstufe (42) entspricht,
daß der zweite Kolben in Wirkverbindung mit dem Stellglied (52) steht,
daß die erste Druckkammerstufe (41) einen größeren Durchmesser als die zweite Druckkammerstufe (42) aufweist, und
daß der zweite Kolben (44) mit einer Rückstellkraft beaufschlagt wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Druckkammerstufe (41, 42) über eine Drosselleitung (48) mit einem das hydraulische Medium enthaltenden Druck­ speicher (6) in Verbindung stehen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Kolben (43) fest mit einem Aktorboden (24) verbunden ist und der zweite Kolben (44) zugleich das Stellglied (52) bildet.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stellglied (52) in einem Gehäuse (1) mit einer ersten und ei­ ner zweiten Eingangsbohrung (71, 72) und einer Ausgangsboh­ rung (73) angeordnet ist, wobei das Stellglied (52) zwischen einer ersten Stellung, bei der es die erste Eingangsbohrung (71) mit der Ausgangsbohrung (73) verbindet, und einer zwei­ ten Stellung, bei der es die zweite Eingangsbohrung (2) mit der Ausgangsbohrung verbindet, hin- und hergeschaltet werden kann.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Stellglied (52) auf der der zweiten Druckkammerstufe (42) gegenüberliegenden Seite mit der Rückstellkraft einer Feder (45) beaufschlagt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei ein die Feder (45) enthaltender Federraum(47) druckentlastet ausgelegt ist.