DE19946839A1 - Verstelleinrichtung zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperrvorrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Verstelleinrichtung (1) zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperrvorrichtung mit einer piezoelektrischen Einheit, die mittels Bestromung längbar ist, und mit einem Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von Längenänderungen der piezoelektrischen Einheit, ist vorgesehen, daß die piezoelektrische Einheit wenigstens zwei abwechselnd bestrombare piezoelektrische Aktoren (4, 5) aufweist, welche hinsichtlich ihrer Längserstreckung im wesentlichen hintereinander angeordnet sind. Längungen der piezoelektrischen Einheit sind mittels einer Hebelmechanik (3) in Kippbewegungen umsetzbar, wobei ein Stellorgan (2) der anzusteuernden Regel- und/oder Absperrvorrichtung mittels der Kippbewegungen betätigbar ist, und wobei ein mit dem Stellorgan (2) in Wirkverbindung stehender Abschnitt (16) der Hebelmechanik (3) im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans (2) ausgerichtet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Verstelleinrichtung zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperrvorrichtung gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.

Aus der DE 196 46 511 C1 ist ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement bekannt, welches zur Erzeugung von Kippbewegungen in hohen Frequenzbereichen Verwendung findet. Bei dem Antriebs- oder Verstellelement ist ein erster und ein zweiter Bereich aus piezoelektrisch aktivem Material vorgesehen, wobei diese beiden Bereiche über einen dritten Bereich miteinander verbunden sind. Der dritte Bereich ist aus piezoelektrisch passivem Material. Durch das Anlegen einer Spannung z. B. an den ersten Bereich des Antriebs- oder Verstellelements wird dieser Bereich hinsichtlich seiner Längserstreckung entsprechend gedehnt, so daß an dem gesamten piezoelektrischen Antriebs- oder Verstellelement bezüglich seiner Symmetrieachse eine entsprechende Biegung vollzogen wird. Eine Umkehrung des Biegewinkels bei dem Antriebs- oder Verstellelement kann durch das Anlegen einer Spannung an den zweiten Bereich des Antriebselements erreicht werden.

Bei einem Einsatz von piezoelektrischen Aktoren in An­ triebs- und Verstellelementen ergibt sich stets das Problem, Längungstoleranzen der Aktoren, welche insbesonde­ re auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, auszu­ gleichen, damit diese keinen Einfluß auf die Stellung des anzutreibenden bzw. zu stellenden Elements haben.

Aus der EP 0 477 400 A1 ist eine Anordnung für einen in Stellrichtung wirkenden adaptiven, mechanischen Toleranz­ ausgleich für einen Wegtransformator eines piezoelektri­ schen Aktors bekannt, bei der die Auslenkung des piezoelek­ trischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird.

Bei dieser bekannten Anordnung arbeitet die Hydraulikkammer als eine sogenannte hydraulische Übersetzung. Die Hydrau­ likkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilglied verbunden ist und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben des Ventilgliedes, das in seiner Ruhelage mittels einer oder mehrerer Federn relativ zu einer vorgegebenen Position gehalten ist, einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinan­ der.

Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Stellorgans auftritt.

Ein Ausgleich von Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors durch die zwischen zwei Kolben angeordnete Hydrau­ likkammer erfordert jedoch eine aufwendige Konstruktion und ist hinsichtlich der auftretenden Leckageverluste und der Wiederbefüllung der Hydraulikkammer problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellein­ richtung zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperrvor­ richtung mit einer piezoelektrischen Einheit zu schaffen, die mit einem Toleranzausgleich in konstruktiv einfacher Weise ausgeführt ist und einen geringen Bauraum sowie möglichst wenige Bauteile erfordert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperrvorrichtung mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß aufgrund der hintereinander angeordneten piezoelektrischen Aktoren eine schlanke Bauform realisiert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung werden durch das Bestromen jeweils eines piezoelektrischen Aktors die daraus resultierenden Längendehnungen mittels der Hebelme­ chanik derart in Kippbewegungen umgesetzt, daß das Stellor­ gan der anzusteuernden Regel- und/oder Absperrvorrichtung entsprechende Stellbewegungen ausführt.

Ein Ausgleich von toleranzbedingten Längenänderungen der piezoelektrischen Einheit wird bei der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ohne ein zusätzliches Bauteil ermög­ licht, weil der mit dem Stellorgan in Wirkverbindung stehende Abschnitt der Hebelmechanik im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans ausgerichtet ist. Somit bewirken insbesondere temperaturabhängige Längungen der piezoelektrischen Einheit in vorteilhafter Weise keine Stellbewegung des Stellorgans. Demzufolge wird der erfor­ derliche Platzbedarf bzw. Bauraumbedarf der Verstellein­ richtung vorteilhaft verringert.

Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zum Ansteuern eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten vorgesehen. Das Ventil kann ein Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere ein Common-Rail-Injektor, für Brennkraftmaschinen von Kraft­ fahrzeugen sein. Selbstverständlich sind auch andere Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung möglich, bei denen hochfrequente Ansteuerungen erforderlich sind.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verstel­ leinrichtung zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperr­ vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem eine Hebelme­ chanik ein L-förmiges und T-förmiges Verbindungselement aufweist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem die Hebelmechanik zwei L- förmige Verbindungselemente aufweist, und

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 entlang der Schnittlinie A-A.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figuren zeigen stark vereinfacht eine Verstelleinrich­ tung 1 zum Ansteuern eines Stellorgans 2 einer Regel- und/oder Absperrvorrichtung, welche in den beiden beschrie­ benen Ausführungen jeweils ein nicht weiter dargestelltes Common-Rail-Kraftstoffeinspritzventil ist.

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Ver­ stelleinrichtung 1 eine mittels Bestromung längbare piezoelektrische Einheit und eine Hebelmechanik 3 umfaßt. Die piezoelektrische Einheit weist zwei abwechselnd bestrombare piezoelektrische Aktoren 4, 5 auf, deren Längungen mittels der Hebelmechanik 3 in Kippbewegungen umsetzbar sind, wobei ein mit dem Stellorgan 2 in Wirkver­ bindung stehender Abschnitt 16 der Hebelmechanik 3 im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans 2 ausgerichtet ist.

Die beiden piezoelektrischen Aktoren 4, 5 sind hinsichtlich ihrer Längserstreckung im wesentlichen hintereinander angeordnet. Selbstverständlich kann die piezoelektrische Einheit in einer alternativen Ausführung auch mehr als zwei hintereinander angeordnete piezoelektrische Aktoren 4, 5 aufweisen.

Die Hebelmechanik 3 umfaßt zwei als Hebelarme dienende Verbindungselemente 6, 7, wobei das erste Verbindungsele­ ment 6 L-förmig und das zweite Verbindungselement 7 T- förmig ausgebildet ist. Bei einer Ausführung mit mehr als zwei hintereinander angeordneten piezoelektrischen Aktoren 4, 5 ist die Anzahl der Verbindungselemente 6, 7 der Hebelmechanik 3 entsprechend anzupassen.

Die Hebelmechanik 3 steht mit den piezoelektrischen Aktoren 4, 5 in Wirkverbindung, indem horizontal zur Längserstrec­ kung der piezoelektrischen Aktoren 4, 5 angeordnete Querabschnitte 8, 9 der L-förmigen und T-förmigen Verbin­ dungselemente 6, 7 mit Kopfbereichen 10, 11 der piezoelek­ trischen Aktoren 4, 5 in Anlage gebracht sind.

Die Querabschnitte 8, 9 der beiden Verbindungselemente 6, 7 werden jeweils mittels eines als Feder 12, 13 ausgebildeten Anpreßelements gegen die Kopfabschnitte 10, 11 der piezo­ elektrischen Aktoren 4, 5 gepreßt, um insbesondere eine erforderliche Vorspannung der piezoelektrischen Aktoren 4, 5 zu bewirken. Um einen möglichst großen Hub zu erzielen, sind die piezoelektrischen Aktoren 4, 5 in an sich bekann­ ter "Multilayer"-Bauart aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut. Damit sich diese Schichten bei einer Bestromung der piezoelektrischen Aktoren 4, 5 nicht voneinander lösen, müssen diese vorgespannt werden, wobei die dabei aufzubrin­ gende Kraft annähernd 1000 N betragen kann.

Ein parallel zur Längserstreckung der piezoelektrischen Aktoren 4, 5 verlaufender Längsabschnitt 14 des ersten Verbindungselementes 6 ist mit dem Querabschnitt 9 des zweiten Verbindungselements 7 gelenkartig verbunden. Das freie Ende des Längsabschnittes 14 des ersten Verbindungs­ elementes 6 weist eine Ausnehmung 15 auf, in die ein im wesentlichen kugelkopfförmiges Ende des Querabschnittes 9 des zweiten Verbindungselementes 7 aufgenommen ist.

Alternativ sind auch andere konstruktive Ausgestaltungen des Querabschnittes 9 und des Längsabschnittes 14 denkbar, die eine möglichst reibungsfreie Wirkverbindung zwischen den beiden Verbindungselementen 6, 7 der Hebelmechanik 3 realisieren.

Der mit dem Stellorgan 2 in Wirkverbindung stehende Abschnitt 16 der Hebelmechanik 3 ist als ein Längsabschnitt 17 ausgebildet. Das Stellorgan 2 weist eine lochförmige Aussparung 18 auf, welche ein freies Ende des quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans 2 angeordneten Längsab­ schnittes 17 des T-förmigen Verbindungselementes 7 auf­ nimmt.

Die in Fig. 1 dargestellte Verstelleinrichtung 1 arbeitet dabei in nachfolgend beschriebener Weise.

Bei Bestromung des oberen piezoelektrischen Aktors 4 wird sein Kopfbereich 10 gegen das freie Ende des Querabschnit­ tes 8 des ersten Verbindungselements 6 gepreßt, wodurch das gesamte Verbindungselement 6 gegen die Federkraft der Feder 12 nach oben bewegt wird.

Das mit dem Längsabschnitt 14 des Verbindungselements 6 gelenkartig verbundene Ende des Querabschnitts 9 des Verbindungselements 7 wird ebenfalls nach oben bewegt, wobei das zwischen der Feder 13 und dem Kopfbereich 11 des piezoelektrischen Aktors 5 angeordnete Ende des Querab­ schnitts 9 nicht bewegt wird. Dadurch wird das Verbindungs­ element 7 um einen in Fig. 1 markierten Drehpunkt 19 bewegt, wie es auch durch den eingezeichneten Winkel 20 angedeutet ist.

Der mit dem Stellorgan 2 in Wirkverbindung stehende Längsabschnitt 17 führt somit eine Kippbewegung aus, wodurch das Stellorgan 2 nach rechts bewegt und die Regel- und/oder Absperrvorrichtung entsprechend angesteuert wird.

Durch Bestromung des unteren piezoelektrischen Aktors 5 wird dessen Kopfbereich 11 nach oben bewegt, so daß gegen die Federkraft der Feder 13 das mit dem Kopfbereich 11 in Anlage befindliche Ende des Querabschnittes 9 des Verbin­ dungselements 7 ebenfalls nach oben bewegt wird.

Das andere, mit dem Längsabschnitt 14 des Verbindungsele­ ments 6 gelenkartig verbundene Ende des Querabschnittes 9 bewegt sich nicht, weil das Verbindungselement 6 mit seinem Querabschnitt 8 zwischen dem Kopfbereich 10 des piezoelek­ trische Aktors 4 und der Feder 12 fixiert ist. Dadurch wird das Verbindungselement 7 um einen Drehpunkt 21 bewegt, wie es durch den eingezeichneten Winkel 22 in Fig. 1 angedeu­ tet ist.

Der mit dem Stellorgan 2 in Wirkverbindung stehende Längsabschnitt 17 führt somit eine Kippbewegung aus, wodurch das Stellorgan 2 nach links bewegt und die Regel- und/oder Absperrvorrichtung entsprechend angesteuert wird.

Die identisch ausgeführten und mit gleicher Kraft vorge­ spannten piezoelektrischen Aktoren 4, 5 werden bei tempera­ turbedingten Längenänderung beide gleichmäßig gedehnt bzw. geschrupft, so daß der Längsabschnitt 17 des Verbindungs­ elements 7 keine Kippbewegung ausführt, sondern lediglich, wie es in Fig. 1 mit gestrichelter Linie angedeutet ist, nach unten bewegt wird.

Durch die Anordnung des Längsabschnittes 17 in der Ausspa­ rung 18 quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans 2 reicht es zur Realisierung des Toleranzausgleichs aus, daß der Längsabschnitt 17 in der Aussparung 18 einen ausreichenden axialen Bewegungsspielraum hat, welcher gegebenenfalls durch eine zusätzliche, den Raum der Aussparung 18 erwei­ ternde Nut noch vergrößert werden kann.

Somit ist gewährleistet, daß die temperaturbedingten Längenänderungen der piezoelektrischen Aktoren 4, 5 keine Auswirkungen auf die Stellung des Stellorgans 2 und des angesteuerten Kraftstoffventils insgesamt haben.

Bezug nehmend auf Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbei­ spiel der Verstelleinrichtung 1 dargestellt, bei der aus Gründen der Übersichtlichkeit funktionsgleiche Bauteile mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind.

Gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 unterscheidet sich die hier gezeigte Verstelleinrichtung 1 darin, daß die Hebelmechanik 3 zwei L-förmige Verbindungselemente 6, 7' aufweist.

Selbstverständlich können die Verbindungselemente auch andere konstruktive Ausgestaltungen aufweisen, jedoch hat sich gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die gesamte Verstelleinrichtung 1 noch schmaler bezüglich ihrer Einbaubreite ausgestaltet wird.

Die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der Verstelleinrichtung 1 ist mit der des ersten Ausführungs­ beispiels gemäß Fig. 1 identisch.

In Fig. 3 ist ausschnittsweise die gelenkartige Verbindung zwischen den beiden L-förmigen Verbindungselementen 6, 7' der Hebelmechanik 3 gemäß Fig. 2 dargestellt.

Dabei ist ersichtlich, daß das freie Ende des Längsab­ schnittes 14 des Verbindungselementes 6 eine hinterschnit­ tene Nut 23 aufweist, welche das im wesentlichen als Hammerkopf ausgebildete Ende des Querabschnittes 9 des Verbindungselements 7' aufnimmt. Durch die Hinterschneidung 24 der Nut 23 wird das Verbindungselement 7 quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans 2 in der Nut 23 gehalten, wobei der Längsabschnitt 17 des Verbindungselements 7 aus der Nut 23 austritt und mit dem Stellorgan 2 in Wirkverbin­ dung steht.

Claims (12)

1. Verstelleinrichtung (1) zum Ansteuern einer Regel- und/oder Absperrvorrichtung, mit einer piezoelektrischen Einheit, die mittels Bestromung längbar ist, wobei zum Ausgleich von Längenänderungen der piezoelektrischen Einheit ein Toleranzausgleichselement (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit wenigstens zwei abwechselnd bestrombare piezo­ elektrische Aktoren (4, 5) aufweist, welche hinsichtlich ihrer Längserstreckung im wesentlichen hintereinander angeordnet sind, und daß Längungen der piezoelektrischen Einheit mittels einer Hebelmechanik (3) in Kippbewegun­ gen umsetzbar sind, wobei ein Stellorgan (2) der anzu­ steuernden Regel- und/oder Absperrvorrichtung mittels der Kippbewegungen betätigbar ist, und wobei ein mit dem Stellorgan (2) in Wirkverbindung stehender Abschnitt (16) der Hebelmechanik (3) im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans (2) ausgerichtet ist.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mit dem Stellorgan (2) in Wirkverbin­ dung stehende Abschnitt (16) der Hebelmechanik (3) gleichzeitig als Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von Längenänderungen der piezoelektrischen Einheit quer zur Bewegungsrichtung des Stellorgans (2) vorgesehen ist.

3. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelmechanik (3) wenig­ stens zwei als Hebelarme dienende Verbindungselemente (6, 7, 7') aufweist.

4. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein erstes Verbindungselement (6) wenig­ stens annähernd L-förmig und ein zweites Verbindungsele­ ment (7) im wesentlichen T-förmig ausgebildet ist.

5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Verbindungselemente (6, 7') im we­ sentlichen L-förmig ausgebildet sind.

6. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß horizontal zur Längserstrec­ kung der piezoelektrischen Aktoren (4, 5) angeordnete Querabschnitte (8, 9) der beiden Verbindungselemente (6, 7, 7') jeweils an Kopfbereichen (10, 11) der piezoelek­ trischen Aktoren (4, 5) anliegen, wobei jeweils ein die Querabschnitte (8, 9) an die Kopfbereiche (10, 11) an­ pressendes Anpreßelement vorgesehen ist.

7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein parallel zur Längserstreckung der piezoelektrischen Aktoren (4, 5) verlaufender Längsab­ schnitt (14) des ersten Verbindungselementes (6) mit dem Querabschnitt (9) des zweiten Verbindungselementes (7, 7') in Wirkverbindung steht.

8. Verstelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Längsabschnitt (14) des ersten Verbin­ dungselements (6) mit dem Querabschnitt (9) des zweiten Verbindungselements (7, 7') gelenkartig verbunden ist.

9. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Stellorgan (2) in Wirkverbindung stehende Abschnitt (16) der Hebelme­ chanik (3) ein parallel zur Längserstreckung der piezo­ elektrischen Aktoren (4, 5) angeordneter Längsabschnitt (17) des zweiten Verbindungselementes (7, 7') ist.

10. Verstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stellorgan (2) eine Ausnehmung (18) aufweist, welche ein freies Ende des Längsabschnittes (17) des zweiten Verbindungselementes (7, 7') aufnimmt.

11. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die anzusteuernde Regel- und/oder Absperrvorrichtung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten ist.

12. Verstelleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil ein Kraftstoffeinspritzventil ist.