DE19928186B4

DE19928186B4 - Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils

Info

Publication number: DE19928186B4
Application number: DE19928186A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kienzler; Patrick Dr. Mattes; Wolfgang Stoecklein; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-06-20
Also published as: DE19928186A1; KR20010072696A; JP2003502565A; EP1110251A1; CZ2001577A3; WO2000079609A1

Abstract

1) Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, mit
– einem Gehäuse (3), in dem ein Piezoelement (2) des Piezoaktors (1) axial beweglich gehalten ist,
– mindestens einem auf Zug vorgespannten Federelement (10, 11; 17)), das in axialer Richtung zwischen dem Piezoelement (2) und einer oberen Fixierung im Gehäuse (3) angeordnet ist,
– mit einer Spannanordnung (8; 18), die einen mit dem Piezoelement (2) verbundenen Druckbolzen (5) mechanisch mit dem Federelement (10, 11; 17) verbindet, wobei eine Betätigung des Piezoaktors (1) zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements (2) und damit zu einer axialen Bewegung des Druckbolzens (5) gegen die Kraft des Federelements (10, 11; 17) führt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Für sich gesehen ist es auch bekannt, dass Einspritzdüsen oder -ventile zur Kraftstoffzumessung eines Verbrennungsmotors Druck- oder Steuerbolzen aufweisen, die hohe Drücke und schnelle und genaue Reaktionszeiten verlangen. Eine solche Einspritzvorrichtung ist beispielsweise in "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", VDI-Verlag 1987, 20. Aufl., Seiten 391, 392, beschrieben. Hier kommt es vor allem darauf an, dass die Anordnung auf Grund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums im Motorraum des Verbrennungsmotors einen möglichst geringen Durchmesser aufweist.

Aus der DE 197 02 066 C2 ist ein Piezoaktor bekannt, mit einem in einem Gehäuse beweglich angeordneten Piezoelement, das von einer Druckfeder vorgespannt ist. Ein in Abhängigkeit der Längenänderung des Piezoaktors verschiebbarer Druckstift durchgreift den Piezoaktor auf seiner ganzen Länge, was eine in Fertigungshinsicht problematische Durchgangsbohrung und eine relativ breit bauende Form des Piezoaktors erforderlich macht.

Aus der DE 196 50 900 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, der von einer seitlich des Piezoaktors angeordneten Zugfeder beaufschlagt ist. Zu Gunsten der Baulänge vergrößert sich dadurch die Baubreite des Piezoaktors, was der Zielsetzung eines möglichst schlanken Aufbaus eines Piezoaktors entgegensteht.

Ein entsprechender Piezoaktor mit seitlich angeordneter Zugfeder ist aus dem Beitrag von Clephas, Janocha mit dem Titel „Aktoren mit piezoelektischen und magnetostriktiven Festkörperwandlern" in der Zeitschrift Automatisierungstechnische Praxis, atp, Band 40, 1998, Heft 4, Seiten 10 bis 17 bekannt, wobei der Piezoaktor von einer unter Zugspannung stehenden Rohrfeder umgeben ist. Ein die Rohrfeder auf Zug vorspannendes Federelement ist nicht vorgesehen.

Aus der DE 196 25 291 A1 ist ein Piezoelement bekannt, das von ebenfalls seitlich angeordneten Federeinrichtungen auf Zug beansprucht ist, wobei die Federeinrichtungen selbst unter Druckspannung stehen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der nachfolgend beschriebenen Erfindung, einen Piezoaktor anzugeben, der ohne Druck- oder Tellerfedern zur Vorspannung des Piezoelements auskommt und dennoch eine schlanke Bauweise hat. Darüber hinaus soll die Vorspannkraft des Piezoelements zur Minimierung von Exemplarstreuung während der Montage des Piezoaktors einstellbar sein. Diese Aufgabe wird von einem Piezoaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, weist in vorteilhafter Weise ein optimal bemessbares, insbesondere ein sehr schlankes, Gehäuse auf, in dem der Piezoaktor gehalten ist. Die schlanke Bauweise erlaubt dabei insbesondere bei einem Einspritzsystem auch die Anordnung eines zentralen Hochdruckanschlusses für den Kraftstoff.

Zur Erzeugung einer notwendigen Vorspannung, die beispielsweise zur Rückstellung eines Betätigungselements notwendig ist, wird der Piezoaktor, der in einem Gehäuse axial beweglich gehalten ist, in vorteilhafter Weise mit mindestens einem auf Zug vorgespannten Federelement, bevorzugt eine Wellfeder, versehen, die in axialer Richtung zwischen dem Piezoelement und einer oberen Fixierung im Gehäuse angeordnet ist.

Mit einer Spannanordnung, die einen mit dem Piezoelement verbundenen Druckbolzen mechanisch mit der Wellfeder ver bindet, kann dabei die benötigte Vorspannung auf das Piezoelement aufgebracht werden, wobei eine Betätigung des Piezoaktors zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements und damit zu einer axialen Bewegung des Druckbolzens gegen die Kraft der Wellfeder führt. Die mindestens eine Wellfeder muss hier den Hub des Piezoelements mitmachen, wobei die Steifigkeit der Wellfeder jedoch sehr klein im Verhältnis zur Vorspannung sein sollte.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Piezoaktor am oberen Ende am Gehäuse fixiert und mit einem Spannband als Spannanordnung umschlossen, das am oberen Ende mit einer Halterung der Wellfeder fest verbunden ist, so dass das Spannband bei einer axialen Ausdehnung des Piezoaktors eine Zugkraft auf die Wellfeder ausübt.

An der Stelle eines Spannbandes kann hier auf einfache Weise auch ein geschlossenes Gehäuse vorgesehen werden, das das Piezoelement einfasst.

Die Fixierung des Piezoaktors kann beispielsweise über einen zentralen Bolzen erfolgen, der mit der oberen Fixierung der Wellfeder fest verbunden ist, wobei hier in vorteilhafter Weise zwei Wellfedern beidseitig des Bolzens symmetrisch angeordnet sind.

In anderer Weise kann die Fixierung des Piezoaktors auch über eine Fixierscheibe erfolgt, die an einer Fixierkante in Richtung der Wellfeder am Gehäuse anliegt und durch die das Spannband beweglich führbar ist.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor zur Betätigung eines Einspritzinjektors zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor mit zwei Wellfedern und einer Fixierung des Piezoaktors mit einem Bolzen;
2 einen Schnitt durch einen Piezoaktor in Abwandlung des Beispiels nach 1 mit einer Wellfeder und einer Fixierung des Piezoaktors an einer Fixierkante des Gehäuses und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Gehäuse als Spannvorrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Darstellung nach 1 ist ein Piezoaktor 1 mit einem Piezoelement 2 in einem Gehäuse 3 gezeigt. Das Piezoelement 2 ist hier, wie an sich bekannt, aus einem Quarzmaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements 2 erfolgt. Aufgrund der schlanken Bauweise des Piezoaktors 1 im Gehäuse 3 ist hier noch eine Hochdruckleitung 4 für die Kraftstoffzuführung zu einem Verbrennungsmotor angeordnet.
Das Piezoelement 2 ist zwischen einem unteren abgerundeten Druckbolzen 5 mit einem Betätigungsstössel 6 und einem oberen Druckbolzen 7 eingefasst. Diese Anordnung wird umschlossen von einem Spannband 8, das oben an eine Scheibe 9 angeschweißt ist, die als Halterung für Wellfedern 10 und 11 als Federelemente dienen. Bei der Anordnung nach der 1 ist ein Bolzen 12 vorhanden, der den oberen Druckbolzen 7 mit einer Platte 13 fest verbindet, die an einer Fixierkante 14 des Gehäuses 3 anliegt.
Die Wellfedern 10 und 11 nach der 1 sind hierbei mit der Scheibe 8 an einem Ende und der Platte 13 am anderen Ende fest verbunden, beispielsweise angeschweißt, und werden durch die Fixierung an der Fixierkante 14 einerseits und die starre Verbindung über den Bolzen 12, den Druckbolzen 7, das Piezoelement 2, das Spannband 8 und die Scheibe 9, andererseits mit einer Vorspannung in Zugrichtung beaufschlagt.
Eine Betätigung des Piezoaktors 1 führt hierbei zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements 2 und damit zu einer axialen Bewegung des Stössels 6. Weiterhin erfolgt ein Druck auf das Spannband 8, das eine axiale Zugkraft auf die Scheibe 9 ausübt, die zu einer weiteren Zugbeanspruchung der Wellfedern 10 und 11 führt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach 2 ist hinsichtlich gleich wirkender Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Abwandlung zu der 1 ist hier ein oberer Druckbolzen 15 als Fixierscheibe ausgeführt, die an einer Fixierkante 16 des Gehäuses anliegt. Damit entfällt der beim Ausführungsbeispiel nach der 1 notwendige Bolzen 12 und es kann eine zentral angeordnete Wellfeder 17 vorgesehen werden. Die Wirkungsweise ist hier jedoch die gleiche wie beim Ausführungsbeispiel nach der 1, wobei lediglich sichergestellt werden muss, dass die Zugkraft des Spannbandes 8 auf die Scheibe 9 als Halterung für die Wellfeder 17 übertragen wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel nach 3 ist als Spannvorrichtung für die Übertragung der Zugkraft ein geschlossenes Gehäuse 18 für das Piezoelement 2 vorhanden.

Claims

Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Piezoaktor (1) am oberen Ende am Gehäuse (3) fixiert ist und mit einem Spannband (8) als Spannanordnung umschlossen ist, das am oberen Ende mit einer Halterung (9) des Federelements (10, 11; 17) fest verbunden ist, so dass das Spannband (8) bei einer axialen Ausdehnung des Piezoelements (2) eine Zugkraft auf das Federelement (10, 11; 17) ausübt.

Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ass – der Piezoaktor (1) am oberen Ende am Gehäuse (3) fixiert ist und mit einem Gehäuse (18) als Spannanordnung umschlossen ist, das am oberen Ende mit einer Halterung (9) des Federelements (17) fest verbunden ist, so dass der Spannanordnung bei einer axialen Ausdehnung des Piezoelements (2) eine Zugkraft auf das Federelement (17) ausübt.

Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Fixierung des Piezoaktors (1) über einen zentralen Bolzen (12) erfolgt, der mit einer Platte (13) zur oberen Fixierung des Federelements ((10, 11) fest verbunden ist und dass – zwei Federelemente (10, 11) beidseitig des Bolzens (12) symmetrisch angeordnet sind.

Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Fixierung des Piezoaktors (1) über eine Fixierscheibe (15) erfolgt, die an einer Fixierkante (16) in Richtung des Federelements (17) am Gehäuse (3) anliegt und durch die das Spannband (8) beweglich führbar ist.

Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die obere Fixierung des mindestens einen Federelements (10, 11; 17) axial veränderlich ist.

Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das mindestens eine Federelement (10, 11; 17) mit der Platte (13) zur oberen Fixierung und der Scheibe (9) am Spannband (8) verschweißt ist.

Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Federelemente Wellfedern (10, 11; 17) sind.