DE19948359A1 - Aktoreinheit mit Keramikelement zur Temperaturkompensation - Google Patents

Abstract

Eine Aktoreinheit mit einem Piezoelement 1, das geeignet ist, über eine Wirkverbindung eine Stelleinrichtung zu betätigen, weist ein hülsenförmiges Aktorgehäuse 2 mit wenigstens einer Keramikhülse 231 auf, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen dem des Piezoelements 1 entspricht, wobei ein Federelement so am Aktorgehäuse 2 angeordnet ist, daß die Keramikhülse 231 unter Druckbeanspruchung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit mit einem Piezoele­ ment gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aktoreinheiten mit einem Piezoelement werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zum Steuern von Einspritzventilen in einem Verbrennungsmotor eingesetzt. So ist aus der EP 0 869 278 A1 ein Einspritzventil bekannt, bei dem eine Düsenna­ del über eine Stelleinrichtung von einem Piezoelement betä­ tigt wird. Das Piezoelement löst dabei über eine Wirkverbin­ dung die Stelleinrichtung aus und wird von einem hülsenförmi­ gen Gehäuse in seiner Position am Einspritzventil fixiert.

Die üblicherweise verwendeten Piezoelemente bestehen aus Quarzkeramik, die sich bei einer Temperaturerhöhung in der Aktoreinheit ausdehnt, wodurch sich die Position des Piezo­ elements in bezug auf die Stelleinrichtung verschiebt und da­ mit die Wirkverbindung zwischen dem Piezoelement und der Stelleinrichtung verändert. Um diesen Temperatureffekt des Piezoelements zu kompensieren, wird das das Piezoelement auf­ nehmende Gehäuse aus einem Material gefertigt, das einen ähn­ lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Quarzkeramik zeigt. Das genaue Anpassen der thermischen Längenausdehnung des Aktorgehäuses an die thermische Längenausdehnung ist ins­ besondere auch auf Grund der nur geringen Stellwege des Pie­ zoelements erforderlich. Wenn nämlich der thermische Ausdeh­ nungskoeffizient des Aktorgehäuses wesentlich größer als der des Piezoelements ist, besteht die Gefahr, daß die thermische Längenausdehnung des Aktorgehäuses den Aktorhub des Piezoele­ ments vollständig kompensiert. Aus diesem Grund wird das das Piezoelement aufnehmende Gehäuse oft aus Invar gefertigt, da dieser Werkstoff einen ähnlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten wie Quarzkeramik zeigt. Die Herstellung des Ak­ torgehäuses aus Invar ist jedoch relativ teuer. Zudem ist In­ var ein sehr weicher Werkstoff.

Wie in der EP 0 869 278 A1 dargestellt ist, werden deshalb statt Invargehäuse oft auch Keramikgehäuse zur Aufnahme des Piezoelements in der Aktoreinheit eingesetzt, mit denen sich ebenfalls die bei einer Temperaturänderung ergebenden Ände­ rungen in der Ausdehnung des Piezoelements nachvollziehen lassen, so daß die Position des Piezoelements in bezug auf die Stelleinrichtung im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Die Verwendung von Keramik statt Invar ist zwar kostengünstiger. Die Fertigung eines Keramikgehäuses ist jedoch insbesondere aufgrund der notwendigen Verzahnung der Keramikhülse mit ei­ ner Boden- bzw. Kopfplatte relativ aufwendig und teuer. Wei­ terhin besitzen Keramikgehäuse im allgemeinen nur eine gerin­ ge Zugfestigkeit, so daß die Gefahr besteht, daß die hohen Stellkräfte des Piezoelements, die auf das Aktorgehäuse wir­ ken, Risse im Aktorgehäuse hervorrufen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Ak­ toreinheit mit einem Piezoelement bereitzustellen, die ko­ stengünstig eine vollständige Kompensation des Temperatur­ effekts des Piezoelements ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Aktoreinheit zeichnet sich durch eine Hülse aus Keramikmaterial aus, dessen thermischer Ausdeh­ nungskoeffizient im wesentlichen dem eines Piezoelements in der Aktoreinheit entspricht, wobei ein Federelement so am Ak­ torgehäuse angeordnet ist, daß die Keramikhülse unter Druck­ beanspruchung steht. Durch die Verwendung eines Keramikmate­ rials für das Aktorgehäuse läßt sich kostengünstig ein Gehäu­ se herstellen, mit dem eine vollständige Kompensation der thermischen Ausdehnung des Piezoelements erzielt werden kann. Die Vorspannung der Keramikhülse im Aktorgehäuse durch eine Zugspannung gewährleistet darüber hinaus eine hohe Stabilität und lange Lebensdauer des Aktorgehäuses, da sich Keramik durch eine im Vergleich zur Zugfestigkeit wesentlich höhere Druckfestigkeit auszeichnet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die vom Federele­ ment auf die Keramikhülse ausgeübte Druckbeanspruchung we­ sentlich größer als die vom Piezoelement auf das Aktorgehäuse übertragene Belastung, so daß zuverlässig verhindert wird, daß die vom Aktor ausgeübte Zugbeanspruchung die Keramikhülse vom Aktorgehäuse löst.

Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Steifigkeit des am Aktorgehäuses angeordneten Federelements wesentlich kleiner als die Steifigkeit der Keramikhülse, um zu verhindern, daß eine thermische Ausdehnung des Federele­ ments den Kompensationseffekt des Keramikgehäuses überdeckt.

Gemäß der Erfindung besteht weiterhin die Möglichkeit, die Keramikhülse am Aktorgehäuse ausschließlich durch Anpressen von Gehäusedeckel und Gehäuseboden an die Keramikhülse mit Hilfe des Federelements festzuhalten. Dies ermöglicht es, die Keramikhülse als einfaches Strangpreßteil zu fertigen. Es ist dann insbesondere nicht mehr notwendig, aufwendige Befesti­ gungselemente, zum Beispiel Nuten oder Bördelmöglichkeiten an der Keramikhülse vorzusehen.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit; und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Aktoreinheit, die im wesent­ lichen aus einem Piezoelement 1 und einem das Piezoelement aufnehmenden Gehäuse 2 besteht. Das Piezoelement 1 ist dabei vorzugsweise zylindrisch ausgeformt und kann aus mehreren übereinander gestapelten Einzelelementen aufgebaut sein, die in einer Vorspanneinrichtung verkapselt sind. Diese Vorspann­ einrichtung weist eine obere Abdeckplatte 11 und eine untere Abdeckplatte 12 auf, zwischen denen die aufeinander gestapel­ ten Einzelelemente des Piezoelements angeordnet sind. Die obere und die untere Abdeckplatte 11, 12 sind jeweils form- und/oder kraftschlüssig mit einem Hohlkörper 13, vorzugsweise einer Rohrfeder verbunden, der das Piezoelement zwischen der oberen und unteren Abdeckplatte vorspannt.

Über die untere Abdeckplatte 12 kann das Piezoelement 1 mit einer Stelleinrichtung zum Beispiel einem hydraulischen Ven­ til (nicht gezeigt), in Verbindung stehen, das wiederum eine Düsennadel in einem Einspritzventil ansteuern kann. Im Piezo­ element 1 kann durch Anlegen einer Spannung an die Einzelele­ mente eine Längendehnung erzeugt werden, die über die obere Abdeckplatte 11 die Stelleinrichtung auslöst, die dann die Düsennadel im Einspritzventil öffnet.

Das das Piezoelement 1 aufnehmende Aktorgehäuse 2 ist vor­ zugsweise ebenfalls zylindrisch ausgebildet und setzt sich aus einer Kopfplatte 21, einer Bodenplatte 22 und einem Hül­ senverbund 23 zusammen. Die obere Abdeckplatte 11 des Piezo­ elements 1 ist fest mit der Kopfplatte 21 des Aktorgehäuses 2 verbunden oder einstöckig mit diesem ausgebildet. In der Bo­ denplatte 22 des Aktorgehäuses 2 ist weiterhin eine Öffnung 223 vorgesehen, aus der die untere Abdeckplatte 12 des Piezo­ elements 1 herausragt, um eine Verbindung mit der Stellein­ richtung herstellen zu können.

Der Hülsenverbund 23 des Aktorgehäuses 2, der das Piezoele­ ment 1 vollständig einschließt, besteht aus zwei ineinander gesteckte Hülsen 231, 232. Die innere, aus Keramikmaterial hergestellte Hülse 231 sitzt jeweils auf einem ringförmig um­ laufenden ersten Absatz 211, 221 der Kopfplatte 21 bzw. der Bodenplatte 22 auf. Diese innere Keramikhülse 231 wird von der äußeren als Rohrfeder ausgebildeten Hülse 232 eingefaßt, die in einem zweiten ringförmig umlaufenden Absatz 212, 222 der Kopfplatte 21 bzw. der Bodenplatte 22 angeordnet ist und jeweils form- und/oder kraftschlüssig mit der Kopfplatte 21 bzw. der Bodenplatte 22 verbunden ist. Die äußere Rohrfeder­ hülse 232 wird dabei mit der Kopfplatte 21 bzw. der Boden­ platte 22 vorzugsweise verschweißt. Alternativ kann die Ver­ bindung zwischen der Rohrfederhülse 232 und der Kopfplatte 21 bzw. der Bodenplatte 22 des Aktorgehäuses 2 auch mit Hilfe einer Bördelung erfolgen, wobei umgebördelte obere und untere Randbereiche der Rohrfederhülse jeweils in die Kopfplatte 21 bzw. Bodenplatte 22 eingreifen.

Die vorzugsweise aus Federstahl gefertigte Rohrfederhülse 232 steht unter einer Zugspannung, wodurch die Keramikhülse 231 zwischen dem ersten ringförmigen Absatz 211 der Kopfplatte 21 und dem ersten ringförmigen Absatz 221 der Bodenplatte 22 eingepreßt wird. Diese Befestigung der Keramikhülse 231 zwi­ schen der Kopfplatte 21 und der Bodenplatte 22 über eine Druckbeanspruchung hat den Vorteil, daß die Keramikhülse als Strangpreßteil gefertigt werden kann, ein Verfahren, das sich durch geringe Herstellungskosten auszeichnet.

Das aus Quarzkeramik bestehende vorgespannte Piezoelement 1 dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung aus, wobei der ther­ mische Ausdehnungskoeffizient α der Quarzkeramik bei 2,5.10^-6 m/m°C liegt. Es ergibt sich dann eine Längenänderung des Piezoelements von Δx = α.ΔT, wobei x die Länge des Piezoele­ ments und ΔT die Temperaturdifferenz in Grad ist. Um zu ver­ hindern, daß die durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Längenänderung des Piezoelements die Position des Piezoele­ ments in bezug auf die Stelleinrichtung verschiebt und damit die Wirkverbindung zwischen dem Piezoelement und der Stell­ einrichtung beeinflußt, wird diese Längenänderung durch eine entsprechende thermische Ausdehnung der Keramikhülse kompen­ siert. Die relative Längenänderung der Keramikhülse Δy muß dabei der Längenänderung Δx des Piezoelements 1 in bezug auf die Temperaturerhöhung entsprechen. Da bei der in Fig. 1 ge­ zeigten Ausführungsform die Länge des Piezoelements 1 im we­ sentlichen dieselbe Länge wie die Keramikhülse 231 besitzt, bedeutet dies, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Keramikhülse 231 auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Piezoelements 1 abgestimmt werden muß. Ein mögliches Ke­ ramikmaterial mit einem geeigneten thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten ist Al₂O₃.

Da die Druckfestigkeit von Keramikmaterialien grundsätzlich wesentlich höher als ihre Zugfestigkeit ist, ist es vorteil­ haft, die Keramikhülse nicht auf Zug, sondern auf Druck zu beanspruchen. Deshalb wird, wie oben bereits dargestellt, die Keramikhülse 231 durch die als Zugfeder ausgebildete Rohrfe­ derhülse 232 zwischen der Kopfplatte 21 und der Bodenplatte 22 eingepreßt. Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die von der Rohrfeder 232 auf die Keramikhülse 231 ausgeübte Vor­ spannkraft größer ist als die maximale vom Piezoelement 1 auf das Aktorgehäuse 2 übertragene Kraft. Die vom Piezoelement 1 auf das Aktorgehäuse 2 übertragene Kraft kann dann nämlich nicht die Keramikhülse 231 gegen die von der Rohrfederhülse 232 ausgeübte Druckbelastung von der Kopfplatte 21 bzw. Bo­ denplatte 22 abheben.

Die Rohrfederhülse 232 zeichnet sich gegenüber der Keramik­ hülse 231 auch durch eine wesentlich geringere Steifigkeit aus. Hierdurch wird verhindert, daß eine thermische Ausdeh­ nung der Rohrfederhülse 232 den Kompensationseffekt der Kera­ mikhülse 231 bei einer Temperaturänderung überdeckt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Aktoreinheit. Bei dieser Ausführungsform ist die Keramik­ hülse 231 zwischen der Bodenplatte 22 des Aktorgehäuses 2 und einer oberen Abdeckplatte 110 des Piezoelements 1 einge­ spannt. Die obere Abdeckplatte 110 des Piezoelements 1 ist hierzu verbreitert und mit einem ringförmig umlaufenden Ab­ satz 111 versehen, auf dem die Keramikhülse 231 abgestützt ist. Die obere Abdeckplatte 110 des Piezoelements 1 und die Keramikhülse 231 werden von einer steifen äußeren Hülse 233 eingefaßt, die fest mit einer Kopfplatte 210 und der Boden­ platte 22 des Aktorgehäuses 2 verbunden ist. Zwischen der Kopfplatte 210 des Aktorgehäuses 2 und der oberen Abdeckplat­ te 210 des Piezoelements 1 ist weiterhin eine als Tellerfeder ausgebildete Druckfeder 234 angeordnet, die eine Druckbela­ stung auf die obere Abdeckplatte 210 des Piezoelements 1 aus­ übt und damit die auf der Bodenplatte 22 des Aktorgehäuses und auf der Kopfplatte 210 des Piezoelements 1 aussitzende Keramikhülse 231 einspannt.

Wie in der ersten Ausführungsform wird also durch die Teller­ feder 234 eine Druckbelastung auf die Keramikhülse 231 ausge­ übt, die diese zuverlässig festhält. Diese Druckbelastung ist vorzugsweise wiederum größer als die vom Piezoelement auf das Aktorgehäuse übertragene Kraft, um zu verhindern, daß die Ke­ ramikhülse 231 sich vom Aktorgehäuse 2 löst. Die Druckfeder 233 weist weiterhin eine gegenüber der Keramikhülse 231 redu­ zierte Steifigkeit auf, um zu verhindern, daß die Druckfeder die thermische Längendehnung der Keramikhülse zum Ausgleich der thermischen Längendehnung des Piezoelements 1 verhindert.

Claims (5)

1. Aktoreinheit mit einem Piezoelement (1), das geeignet ist, über eine Wirkverbindung eine Stelleinrichtung zu betätigen, und einem hülsenförmigen Aktorgehäuse (2), in dem das Piezo­ element angeordnet ist, wobei ein Hülsenelement (231) wenig­ stens teilweise aus Keramikmaterial besteht, dessen thermi­ scher Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen dem des Piezo­ elements entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federelement (232, 233) vorgesehen ist, das so am Aktor­ gehäuse (2) angeordnet ist, daß die Keramikhülse (231) unter Druckbeanspruchung steht.

2. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vom Federelement (232, 233) auf die Keramikhülse (231) ausgeübte Druckbeanspruchung größer ist als die vom Piezoelement auf den Aktor übertragene Belastung.

3. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steifigkeit des Federele­ ments (232, 233) wesentlich kleiner als die Steifigkeit der Keramikhülse (231) ist.

4. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federele­ ment eine form- und/oder kraftschlüssig mit der Kopfplatte (21) und der Bodenplatte (22) verbundene Zugfeder (232) ist, deren Vorspannkraft das Keramikgehäuse zwischen der Kopfplat­ te (21) und der Bodenplatte (22) einpreßt.

5. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federele­ ment eine an einer Kopfplatte (21) und/oder einer Bodenplatte (22) angreifende Druckfeder ist, deren Vorspannkraft die Keramikhülse (221) zwischen der Kopfplatte (21) und der Bodenplatte (22) einpreßt.